专题4 压电效应与压电传感器典型应用

（参考东方振动和噪声技术研究所资料）
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz
噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动
焊接式 电荷放大器
2020/4/9
26
超小型电荷放大器模块
2020/4/9
14
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
2020/4/9
15
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
2020/4/9
16
压电式脚踏报警器
2020/4/9
17
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
2020/4/9
18
3.压电元件的等效电路和测量转换电路
（81到83页）
1)压电元件 在压电材料垂直于极化方向的表面（其上呈现电荷）镀
电材料的介电常数（F/m）；r为压电材料的相对介电常数；
0为真空中的介电常数，0=8.85×10－12 F/m；Ca为压电传感
2020器/4/9的内部电容（F）。
19
2)等效电路 压电元件可等效为一个电荷源与一个电容并联电路。 电容器上的电压ua（开路电压）、电荷q与电容Ca三者存
在关系：ua=q/Ca，因此，压电元件也可等效为一个电压源与 一个电容串联的等效电路，考虑压电传感器的泄漏电阻时， 电路如图所示。
使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容变化非常敏 感，尤其是对连接电缆长度的变化，适用于快变信号； 使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可忽略，适用于慢 变信号。
电压和电荷放大器连接的等效电路如下。
2020/4/9
23
2020/4/9
24
四通道电荷放大器外形
.
2020/4/9
25
上图所示的四通道电荷放大器指标
电荷放大器，输出电压正比于输入电荷。
2020/4/9
21
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷
和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响
很小：
uo
Q Cf
6-4
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。
2020/4/9
22
3）测量电路 两种前置放大器的主要区别：
专题4 压电效应与压 电传感器典型应用
2020/4/9
1
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某 些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介 质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能 变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、 振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。
2020/4/9
5
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
2020/4/9
6
天然形成的石英晶体外形（续）
2020/4/9
7
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
2020/4/9
双面镀银并封装
8
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
2020/4/9
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
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
特点：可组成经济的多点测试系统
压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、 可靠性、稳定性高。
2020/4/9
2
1.压电效应（80页）
外力沿压电材料特定晶向作用使晶体变形，使 得相对的晶面上产生电荷，去掉外力后压电材料又 重回不带电状态，这种由外力作用产生电极化的现 象称为正压电效应。
上金属电极、接上引线即可构成压电元件。 2) 等效电路
压电元件可视为电荷发生器。压电元件受外力作用时在 垂直于电轴或垂直于极化方向的两个相对表面产生电荷，一 个面上聚集正电荷，另一个面上为等量负电荷。
当压电元件两表面聚集电荷时它是电容器，其电容量为
Ca=s/t=r0s/t 式中，s为电容器极板面积(m2)；t为压电元件厚度(m)；为压
2020/4/9
3
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。
2020/4/9
4
2.压电材料的分类及特性（81页）
压电传感器中的压电元件材料一般有 三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶 瓷；第三类是高分子压电材料。
11
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
2020/4/9
12
高分子压电薄膜及拉制
2020/4/9
13
（三）高分子压电Hale Waihona Puke Baidu料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料， 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易 破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较 大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
压电效应可逆，在压电材料特定晶向施加电场 时，不仅有极化现象发生，还产生机械形变；去掉 电场，应力和形变也随之消失，这种现象称为逆压 电效应。
当外力F沿特定方向作用压电晶体时，在相对晶 面上产生电荷Q，两者的关系可表示为Q=dF
式中，d为压电常数，反映外力与其产生电荷的比 例关系，表征压电效应的强弱程度。
出频率。
9
（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及 非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
2020/4/9
10
压电陶瓷外形
2020/4/9
2020/4/9
20
3）测量电路
压电元件输出信号非常微弱，需放大才能实现测量。 但压电元件内阻抗相当高，难以直接使用一般放大器 放大。除阻抗匹配问题外，连接电缆长度、噪声都是 突出问题。一般都需前置放大，这种电压前置放大器 也称为阻抗变换器。
压电元件前置放大器的两种形式：
电压放大器，输出正比于输入（即压电元件输出的电 压）；