第7章 压电元件与超声波传感器

U0

Q Cf
U0

Ca

Cc
KQ Ci (1
K
)C
f
通常: Ca = 几十 pf
Cc= 100 pf / m Cf = 102 —108 pf K > 105
满足（1+K）Cf >> 10 (Ca+Ci+Cc)
电荷放大器及等效电路
7.4 压电传感器的应用
1．压电晶体振荡器；
2. 压电式测力传感器
• 在Y 轴方向施力时, 产生电荷大小为: q y d12d1ba2横向y压电系数，σy为Y方向应力
• 根据晶体的对称性，压电系数 d12 = - d11
a 、b 是晶体切片几何尺寸(长 、厚)，qx、qy 符号决定力的方向。
➢ 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关， 分子六边形分布，三个电偶极矩。
➢ 实际幅值 （有效值）
U im ( )
dFm R 1 2 R 2 (Ca Cc Ci )2
d 压电系数；ω 信号频率；R = Ra//Ri
➢ 实际输入
幅值
U im ( )
dFm R 1 2 R 2 (Ca Cc Ci )2
相位差
( )

2
Q C
C Ca Cc Ci (1 K )C f
U0

Ca

Cc
KQ Ci (1
K
)C
f
电荷放大器及等效电路
当运算放大器增益满足 K >> 1（K =104～108）
可认为电荷放大器 满足理想条件
1 K C f 10(Ca Cc Ci )
➢ 满足理想条件时输出电压与输入电荷量成正比
第7章 压电元件与超声波传感器
主要内容
7.1 压电效应 7.2 压电材料 7.3 测量电路 7.4 压电式传感器的应用 7.5 超声波传感器
概述
➢ 压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的 发电型传感器.
➢ 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测 量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。
压电加速度计
压电警号
压电陶瓷超声换能器 水声（声呐）换能器
7.1 压电效应
❖ 自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非 对称两大类，其中非中心对称的21种有20种 具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对 称引起的。
❖ 某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力 变形时，内部产生极化现象，同时在它表面 会产生符号相反的电荷；
• 沿X（电轴）作用产生 电荷称纵向压电效应
• 沿Y（机械轴）作用产 生电荷称横向压电效应
• 沿Z（光轴）不产生压 电效应
➢ 压电特性的各向异性可用矩阵表示
• 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:
Q d为d F压电系数（与材料有关的常数）
• 在X 轴方向施力时, 产生电荷大小为:
q x dd1111纵向x 压电系数，σx为X方向应力
7.2.2 压电陶瓷
➢ 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电 材料，材料的内部晶粒有许多自发 极化的电畴，具有一定的极化方向。
• 无电场作用时，电畴在晶体中分布 杂乱分布，极化相互抵消呈中性。
• 施加外电场时，电畴的极化方向发 生转动，趋向外电场方向排列。外 电场强度达到饱和程度时，所有的 电畴与外电场一致。
➢ 当外力去掉后又重新恢复不带电状态；
➢ 当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变.
❖ 逆压电效应
➢ 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，
将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
➢ 压电元件可以将机械能
电能
也可以将电能
机械能
机 械 能
压电元件
电 能
7.2 压电材料
➢ 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。
➢ 为解决电缆分布电容Cc 对传感器灵敏度的影响，和低频 响应差的缺点可采用电荷放大，集成运放组成的电荷放 大器有较好的性能。
➢ 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置 放大器。可利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益 运放。
➢ 由运放特性可求得电荷放大器输出电压
U0

U i K

K
一般认为当ωτ ≥ 3时输入电压与信号频率无关；
• 缺点：低频响应差，提高低频响应的办法是增大τ，但不能靠增
加 输 入 电 容 Ca （ RLCa= τ ） ， 因 为 电 压 灵 敏 度 与 电 容 成 反
比 K u K q / C a 。实际是增大前置输入回路电阻 Ri 。
（2）电荷放大器
Ca

S
d
U Q /Ca
➢
视为电荷输出时可等效为电荷源Q和 电容Ca并联，开路状态输出端电荷为：
Q

C aU
➢ 视为电压输出时可等效为电压源U与
电容Ca串联，开路状态输出端电压为：U Q / C a
❖ 根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种
电荷灵敏度 电压灵敏度
Kq

Q F
U Ku F
与a 接通，处于待发状态。 • 当弹丸与装甲目标相遇时，碰撞力使压电元件产生电荷，
通过导线将电信号传给电雷管使其引爆，并引起弹丸爆炸， 能量使药型罩融化形成高温高速的金属流将钢甲穿透。
a
S
b
炸药
压电
电
元件
R
E雷
压电元件 导线 药型罩
起爆装置
管
破甲弹上的
压电引信结构
7.5 超声波传感器
➢ 超声波技术是以物理、电子、机械及材料学为基础的通 用技术，超声波传感器是向空气中发射超声波，再通过 探测来自某个物体的反射波检测物体有无或距离；
➢ 灵敏度比PZT（压电陶瓷）大17倍。
➢ 压电半导体材料，具有压电特性又有半导体特性， 可研制集成压电传感器系统。
➢ 这些材料有：(ZnS) (CdTe) (ZnO) (CdS) (GaAs)
7.3 测量电路
7.3.1 压电元件结构形式
➢ 在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷， 常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于 压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：
➢ 分别得到相对幅频特性和相频特性：
U im ( )
U im ( )
1 ( )2 K1
tan 1( ) 2
☻ 电压放大器讨论：
• 压电传感器不能测量静态物理量；
U im ( )
U im ()
1 ( )2 K1
• 优点: 高频响应特性好。
• 当晶体受沿Y 轴方向的应力时，Y 方 向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的 分量由于
P1 , P2 , P3 ( P1 P2 P3 ) 0
• 出现上正下负电荷；
• 晶体受沿Z 轴方向的应力时X、Y方
向形变相同不产生压电效应；
• 应力方向为拉力时，电荷极性与上述 相反。
石英晶体压电模型
而
u
i

Q
/Ca
➢ 如果压电元件为正弦作用力变化
F Fm sin t u Um sin t
➢ 传感器上产生的电荷与电压也按正弦变化:
u Q dFm sin t
Ca Ca
➢ 送入放大器输入端的电压ui写成复数形式
Ui
dFm 1
j R j R (Ca Cc
Ci )
3．压电加速度计传感器；
4. 振动测量；
5．压电换能器，发射（扬声器）、 接收（麦克风）、 收听器、超声波 换能器；
压电元件符号
压电式加速度传感器
压电式玻璃破碎报警器
压电引信
➢ 压电引信是利用压电元件制成的弹丸起爆装置。 ➢ 触发度高、安全可靠、不需要安装电源系统，常用于破
甲弹上 。对弹丸的破甲能力起着极重要的作用。
➢ 压电元件输出可以是电压源也可以是 电荷源。因此，前置放大器也有两种 形式：电压放大器 、电荷放大器
➢ 前置电路有两个作用：一是放大微弱的信号、二是阻抗变换
（1）电压放大器（阻抗变换器）
电压放大器及等效电路示意图
电压放大器的输入端
电阻
R

Ra Ri
/ Ra

Ri
,电 容 C

Cc

C
，
i

arctan
(Ca

Cc

Ci )R
➢ 理想情况 当 R (C a C c C i ) 1时 （ 即 ）
输入电压幅值
U im ()

Ca
dFm Cc Ci
❖ 传感器电压灵敏度
Ku
U im Fm

d Ca Cc
Ci
❖ 前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为
➢ 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极Leabharlann Baidu强度 很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化 时是非压电体。
➢ 晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面） 作用力时，引起剩余极化强度变化，在极 化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成 正比关系，电荷密度：
q d 33
d33 — 压电陶瓷的纵向压电常数，d33 比 d11、 d12大的多
❖ 压电晶片按 + - + - 粘贴时电路并联
C 2C
Q ' 2Q
U’
U 'U
电荷增加一倍，适用于电荷放大器
+++++++++++ + _____________ _ __________
+
_
+++++++++++
❖ 压电晶片按 + - - + 粘贴时电路串联
C' C 2
U ' 2U Q' Q
➢ 引信由压电元件和起爆装置两部分组成，压电元件安装 在弹丸的头部，起爆装置在弹丸的尾部，通过引线连接。
a
S
b
炸药
压电 元件
电
压电元件
R
E雷
导线 药型罩
起爆装置
管
破甲弹上的
压电引信结构
➢ 原理： • 平时E（电雷管）处于短路保险安全状态，压电元件即使
受压，产生的电荷会通过电阻放掉，不会触发雷管。 • 而弹丸一旦发射起爆装置解除保险状态，开关S从b处断开
➢ 压电材料可以分为两类： 压电晶体、压电陶瓷。
7.2.1 石英晶体
• 石英晶体特征 天然、人工晶体两种都属于单晶体 化学式为 —— SiO2，外形无论再小 都呈六面体结构
• 石英晶体沿各个方向的特征不同，需按特定方向切片。
压 电 晶 片
人工合成水晶
按特定方向切片
• 石英晶体沿各个方向的特征不同 （按特定方向切片）
根据它们之间的关系有：
U Q Ca
Ku

Kq Ca
Kq KuCa
等效电荷源 等效电压源
7.3.2 压电传感器测量电路
➢ 当压电传感器接测量电路时要考虑以下主要因素： • 电缆等效电容Cc • 接入电路的输入电容Ci • 放大器输入电阻Ri • 传感器漏电电阻Ra。
等效电荷源
等效电压源
➢ 压电元件内阻很高，需要系统前置电 路具有高的输入阻抗。解决传感器与 前级电路的连接…
• 所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度 比压电晶体高，但极化后的压电陶 瓷受温度影响又使压电特性减弱。 随时间延长（2年后）d33会下降， 作为传感器使用时要经常校准修正。
7.2.3 新型压电材料
➢ 石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺 点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。
➢ 新型合成高分子材料：PVF聚氟乙烯、 PVF2聚偏二氟 乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服这一缺陷，可以作 成轻小柔软的压电元件。
➢ 超声波传感器具有多种用途： 如防盗报警系统、自动门启闭装置、汽车倒车传感器及各 种电子设备的遥控装置； 利用超声波的各种物理特性，可以实现超声波测距、测厚、 测流量、无损探伤、超声成像；
➢ 随着信息技术的迅猛发展，新的超声波应用领域越来越 广泛，而且不断得到扩展。
7.5.1 超声波及物理特性
U im ( )
R(Ca Cc Ci )
U im ( )
1 2 R 2 (Ca Cc Ci )2
U im ( )

Ca
dFm Cc Ci
理 想
U im ( )
dFm R 1 2R2 (Ca Cc Ci )2
实 际
令前置放大器输入回路的时间常数为 R (C a C c C i )
++++++++++ + ___________ _
++++++++++ _
U’
____________
+
电压增加一倍适用于电压放大器
7.3.2 压电传感器等效电路
➢ 压电传感器可视为电荷源
➢ 看成具有+、- 极性的电容器，
可等效为一个电容器Ca；
➢ 电容极板上电压大小与极板间 电荷成正比
Q dF
• 当晶体不受力时（F=0），正负离子分布 在六边形顶角，电偶极矩互成1200夹角， 矢量和为零，晶体呈中性；
P1 P2 P3
• 当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩 形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于
P1 , P2 , P3 ( P1 P2 P3 ) 0
• 出现上负下正电荷；