本章學(xué)習(xí)壓電傳感器的原理、應(yīng)用及振動(dòng)頻譜分析。

第7講壓電傳感器

本章學(xué)習(xí)壓電傳感器的原理、應(yīng)用及振動(dòng)頻譜分析1第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。

第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓2一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角3石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改4二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器5（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形6天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

天然形成的石英晶體外形（續(xù)）7石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝8石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，9（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多10壓電陶瓷外形

壓電陶瓷外形11無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）12高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制13（三）高分子壓電材料典型的高分子壓電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。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。（三）高分子壓電材料典型的高分子14高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜15可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板16壓電式腳踏報(bào)警器

壓電式腳踏報(bào)警器17高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）18第二節(jié)壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度等因素的影響很小：電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無(wú)放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。第二節(jié)壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路19四通道電荷放大器外形.四通道電荷放大器外形.20上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所21超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)超小型電荷放大器模塊主要指標(biāo):

22其他電荷放大器外形面板式電荷放大器其他電荷放大器外形面板式電荷放大器23其他電荷放大器外形（續(xù)）其他電荷放大器外形（續(xù)）24第三節(jié)壓電傳感器的應(yīng)用

一、高分子壓電材料的應(yīng)用

1.玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。

粘貼位置第三節(jié)壓電傳感器的應(yīng)用一、高分子壓電材料的應(yīng)用1.25壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）。

壓電傳感器只能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)測(cè)量由于外力作用在壓電26

2．壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等）將長(zhǎng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行,對(duì)輪式或履帶式車輛也可以通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來(lái)。右圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。2．壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口27二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用

壓電片的并聯(lián)接法

壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常是兩片（或兩片以上）粘結(jié)在一起，一般常用的是并聯(lián)接法。其總面積是單片的兩倍，極板上的總電荷Q并為單片電荷Q的兩倍。

二、壓電陶瓷傳感器的應(yīng)用壓電片的并聯(lián)接法28壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量

壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器以及在車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量29本章學(xué)習(xí)壓電傳感器的原理、應(yīng)用及振動(dòng)頻譜分析。

第7講壓電傳感器

本章學(xué)習(xí)壓電傳感器的原理、應(yīng)用及振動(dòng)頻譜分析30第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。

第一節(jié)壓電傳感器的工作原理壓31一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角32石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改33二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器34（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形35天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

天然形成的石英晶體外形（續(xù)）36石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝37石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，38（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多39壓電陶瓷外形

壓電陶瓷外形40無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）41高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制42（三）高分子壓電材料典型的高分子壓電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。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。（三）高分子壓電材料典型的高分子43高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜44可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板45壓電式腳踏報(bào)警器

壓電式腳踏報(bào)警器46高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）47第二節(jié)壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長(zhǎng)度等因素的影響很?。弘姾煞糯笃髂軐弘妭鞲衅鬏敵龅碾姾赊D(zhuǎn)換為電壓（Q/U轉(zhuǎn)換器），但并無(wú)放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。第二節(jié)壓電傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路48四通道電荷放大器外形.四通道電荷放大器外形.49上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所50超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)超小型電荷放大器模塊主要指標(biāo):

51其他電荷放大器外形面板式電荷放大器其他電荷放大器外形面板式電荷放大器52其他電荷放大器外形（續(xù)）其他電荷放大器外形（續(xù)）53第三節(jié)壓電傳感器的應(yīng)用

一、高分子壓電材料的應(yīng)用

1.玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電