压电式传感器59490

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在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十 分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、 锆（gao）钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。
压电材料可以分为三大类：压电晶体(石英晶体)、压电 陶瓷和高分子压电材料。
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天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
没有力作用时，硅离子和氧离子在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投
影恰好等效为正六边形排列，如图a示。这时正负离子正好分布在
正六边形的顶角上，呈现电中性。
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如果沿X方向压缩，如图b所示，则硅离子1被挤入氧离子2和6之间， 而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在 表面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。 若沿Y方向压缩，如图c所示，硅离子3和氧离子2，以及硅离子5和氧 离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表 面A和B上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反， 这时称为横向压电效应。
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4.5.1 变换原理
某些电介质物质，在沿一定方向 上受到外力的作用而变形时，内部会 产生极化现象，同时在其表面上产生 电荷；当外力去掉后，又重新回到不 带电的状态，这种将机械能转变为电 能的现象，称为“顺压电效应”。
相反，在电介质的极化方向上施 加电场，它会产生机械变形，当去掉 外加电场时，电介质的变形随之消失。 这种将电能转换为机械能的现象，称 为“逆压电效应”。
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电荷放大器
压电传感器配用电压放大器时，其电压灵敏度随电缆的分布电容变 化而变化，因而更换不同长度的电缆时要对灵敏度重新进行校正。 而采用电荷放大器可以免此麻烦。电荷放大器实际上是一种具有深 度负反馈的高增益运算放大器。
U0Ci Cc Ca A(Q 1A)Cf
当A>>1，而(1+A)Cf>>Ci CcCa时，
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图4-95 压电元件的等效电路 a）结构图b）等效电荷源 c）等效电压源
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2.测量电路
压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝缘电 阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且要求测量电路输入端 必须有足够高的阻抗和较小的分布电容，以防止电荷迅速泄漏，电荷泄漏 将引起测量误差。
有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、 GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性 以制成电子器件。两者结合起来，就出现了集转换元件和电子线路为一 体的新型传感器，它的前途是非常远大的。
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4. 高分子压电材料
某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一 定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄 膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷 氨酸脂PMG等。这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产 和制成较大的面积。
伸长 剩余伸长
直流电桥
剩 余 极
化 压电陶瓷的极化过程
a)极化前
b)极化
c)极化后
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经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强的 剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因 此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。
压电陶瓷外形
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放大器输出电压可以表示为
U0


Q Cf
由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出 电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反 馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度 的影响可以忽略不计。
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电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转 换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。
四通道电荷放大器外形
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焊接式电荷放大器
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其他电荷放大器外形
面板式电荷放大器
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4.5.4 压电传感器的常用结构形式
在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表 面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上压电元 件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有 两种：并联连接和串联连接。
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超声波美容仪器用压电陶瓷晶片
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医用B超换能器用晶片
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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4.5.2压电材料
１、压电晶体
石英晶体、水溶性压电晶体、铌酸锂晶体
２、压电陶瓷
钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁 酸铅压电陶瓷
３、压电半导体
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z y x
a b
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石英晶体的压电效应演示
当力的方向改变时， 电荷的极性随之改变， 输出电压的频率与动 态力的频率相同；当 动态力变为静态力时， 电荷将由于表面漏电 而很快泄漏、消失。
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注意：压电式传感器只适用于动态测量而不能用 于静态测量。
由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况 下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上 是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料 在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的 电流，故适用于动态测量。
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4.5.5 压电传感器的应用
产 品
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力传感器
压力变送器
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加速度计
产
品
测试时，壳体和被测物体联接（用胶接或机械方 法），使壳体与被测物体之间无相对的振动，则 被测物体的振 动也即拾振器的输入。拾振器内
质块对壳体的相对位移量是右图力学模型的输出， 经变换元件转换为电信号，即拾振器的输出，用 以描述被测物体的绝对振动量。例如以被测物体 的加速度za(t)作为输入，则质块和壳体的相对位 移z01(t)为该惯性系统的输出。
4.5 压电传感器
压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效 应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物 理量，例如力、压力、加速度等。
压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。 近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展， 使压电式传感器的应用越来越广泛。
2）压电式周界报警系统 （用于重要位置出入口、周界安全防 护等）
将长的压电电缆埋在泥土的浅表层， 可起分布式地下麦克风或听音器的作 用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号 处理系统分辨出来。右图为测量系统 的输出波形。
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3）交通监测
将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、 轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、 停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。
如果将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子— 压电陶瓷薄膜，它既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高 的压电系数，是一种很有希望的压电材料。
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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压电式脚踏报警器
压电传感器的测量系统
前置放大器的作用： 一是放大压电元件的微弱信号； 二是高阻抗输入变为低阻抗输出。
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电压放大器
传感器灵敏度：
D
ku
Ca
Cc
Ci
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此式表明由于电缆电容和放大器输 入电容的存在，使灵敏度减小。如 果更换电缆，则必须重新校正灵敏 度，以保证测量精度。
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石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡电
路中工作时，压电
效应与逆压电效应
交替作用，从而产
生稳定的振荡输出
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频率。
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1.石英晶体的压电效应
石英的化学式为SiO2，在一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧 离子，后者是成对的，所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。当
从研究的模型同样可以看出： 如果是使其伸长而不是压缩时， 则电荷的极性正好相反。总之， 石英等单晶体材料是各向异性 的物体，在X或Y轴向施力时， 在与X轴垂直的面上产生电荷， 电场方向与X轴平行，在Z轴 方向施力时，不能产生压电效 应。
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q=DF
式中，q为电荷[量]；D为 压电常数，与材质及切片 方向有关；F为作用力。
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高分子压电电缆的应用演示
将两根高分子压电电 缆相距若干米，平行 埋设于柏油公路的路 面下约5cm，可以用 来测量车速及汽车的 载重量，并根据存储 在计算机内部的档案 数据，判定汽车的车 型。
当轮胎经过传感器A时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器B时，时钟 停止。两个传感器之间的距离一般是3米，或比3米短一些(可根据需 要确定)。传感器之间的距离已知，将两个传感器之间的距离除以两 个传感器信号的时间周期，就可得出车速。
并联连接：两压电 元件的负极集中在 中间极板上，正极 在上下两边并连接 在一起，此时电容 量大，输出电荷量 大，适用于测量缓 变信号和以电荷为 输出的场合。
串联连接：上极板为 正极，下极板为负极， 在中间是一元件的负 极与另一元件的正极 相连接，此时传感器 本身电容小，输出电 压大，适用于要求以 电压为输出的场合， 并要求测量电器和被测物一起受到冲击振动时, 压电元件受质量 块惯性力的作用, 根据牛顿第二定律, 此惯性力是加速度的函数,