1、1,第六章 壓電傳感器,主要內(nèi)容 1.壓電效應(yīng) 2.壓電材料 3.壓電元件結(jié)構(gòu) 4.等效電路與測(cè)量電路 5.壓電傳感器的應(yīng)用,2,概述,壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。,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)。,3,4,6.1 壓電效應(yīng),某些電介質(zhì)（晶體） 當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷； 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)； 當(dāng)作用力方向改變后

2、，電荷的極性也隨之改變； 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。,5,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。,6,壓電效應(yīng)是可逆的 在介質(zhì)極化的方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。 所以壓電元件可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能 也可以將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。,7,高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭 （逆壓電效應(yīng)）,8,行波型超聲波電機(jī)工作原理,行波型超聲波電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)圖,超聲波電機(jī)（逆壓電效應(yīng)）,9,6.2 壓電材料 6.2.1 石英晶體,自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究

3、發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。 壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷。,天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，使用時(shí)用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。,10,天然形成的石英晶體外形,11,石英晶體切片及封裝,石英晶體薄片,雙面鍍銀并封裝,12,石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。 其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。 通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”， 而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。 而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,13,6.2.2 壓電陶

4、瓷（多晶體）,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）。,14,壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，材料的內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向。 無電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消，呈中性。,15,16,晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：,電荷密度： d壓電陶瓷的某一方向的壓電常數(shù)，,17,6.2

5、.3 壓電效應(yīng)方程,引入三維笛卡爾坐標(biāo)系（ 3-D Cartesian coordinate system) 如圖 x, y 和 z軸, 立方體形狀的壓電元件,其中,T1, T2 和 T3,分別,定義為沿x, y and z軸的拉力應(yīng)力分量；,T4, T5 和T6,分別為,沿 x, y 和 z 軸的剪切應(yīng)力分量；,18,且,1, 2 和 3,表示,垂直于x, y 和 z軸的平面（即x, y和 z 軸面 ）上的電荷密度；,在單一應(yīng)力作用下，壓電元件某一軸面上的電荷密度可表示為：,其中 j=1,2,.6 表示應(yīng)力的方向, i =1,2,3 表示產(chǎn)生電荷的軸面；,19,dij 為壓電系數(shù)；,dij

6、稱之為縱向（ longitudinal/thickness） 壓電系數(shù), if i = j；,dij 為橫向壓電系數(shù), if j3 且 i j;,dij 為面切壓電系數(shù), if j - i =3 且 j 4；,dij 為剪切(thickness)shear壓電系數(shù), if j - i 3 且 j 4;,20,那么：某一軸面的電荷可由下式計(jì)算得到：設(shè) i=1，即x軸面,受 6個(gè)應(yīng)力 Tj：,注: 壓電系數(shù)是與材料性質(zhì)相關(guān)的常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)的方法得到，其中石英和壓電陶瓷（鈦酸鋇）的壓電系數(shù)如下：,21,石英晶體：,22,石英晶體的上述特征與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)： 當(dāng)晶體不受力時(shí)F=0，正負(fù)離子分布在六

7、邊形頂角，電偶極矩，晶體呈中性； 當(dāng)晶體受沿X軸方向的壓應(yīng)力時(shí)，在X軸的正方向出現(xiàn)正電荷； 當(dāng)晶體受沿Y軸方向的壓應(yīng)力時(shí)，Y方向壓縮形變，在X軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷；,23,壓電陶瓷(鈦酸鋇壓電系數(shù)矩陣：,24,例2:,石英晶體長(zhǎng)寬高分別為： l, b, h； y軸方向壓力 F2；計(jì)算. x軸面的電荷量,力-應(yīng)力:,2) 求電荷密度,3) 求電荷量,25,6.2.3 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

8、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。,26,聚偏氟乙烯壓電材料,聚偏氟乙烯壓電效應(yīng),27,高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜,28,可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板,29,壓電式腳踏報(bào)警器,30,6.3 壓電元件結(jié)構(gòu)形式,單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度， 在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。 由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。,31,其中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大， 時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。 而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作

9、輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。 ,壓電式傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性，即低壓力下力的傳遞損失較大。 為此， 在力傳遞系統(tǒng)中加入預(yù)加力，稱預(yù)載。消除低壓力使用中的非線性外，還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。 特別是，它只有在加預(yù)載后才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、 壓交變力及剪力和扭矩。,32,6.4 等效電路與測(cè)量電路 6.4.1 壓電傳感器等效電路,由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器， 晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)， 則其電容量為,式中： A壓電片的面積； d壓電片的厚度

10、； r壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。,33,壓電元件電荷Q的開路電壓U可等效為電源與電容串聯(lián)或等效為一個(gè)電荷源Q和電容Ca并聯(lián)。,電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為,34,壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri , 輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路， 如圖所示。,壓電傳感器的實(shí)際等效電路 （a） 電壓源; （b） 電荷源,35,壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。其作用為： 一是把它的高輸出阻抗變換為

11、低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)， 因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。,6.4.2 壓電式傳感器的測(cè)量電路,36,2. 電荷放大器 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。,F 為施加的應(yīng)力；,37,輸出電壓 Uo 可表示為：,即.,Then it has,設(shè)： 0=1/(RfCf) 得幅頻特性：,38,1. 可視為一高通濾波器，因此，適宜于測(cè)量高速變化的信號(hào)；,2. 靈敏度 Uo/F 取決于,反饋電容 Cf,3. 因 0=1/(RfCf), 于是提高 Rf 的值，有利于改善測(cè)量

12、電路的低頻特性。,39,由運(yùn)算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓,通常A=104108，因此,當(dāng)滿足(1+A)CfCa+Cc+Ci時(shí)，上式可表示為,40,6.5 壓電傳感器的應(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)。,41,高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器,質(zhì)量塊,將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。 使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)

13、，表面產(chǎn)生電荷Q ，在兩個(gè)輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報(bào)警信號(hào)。,42,43,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)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，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）。,44,2壓電式周界報(bào)警系統(tǒng),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信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測(cè)量

14、系統(tǒng)的輸出波形。,45,46,3.交通監(jiān)測(cè),將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。,47,高分子壓電電纜的應(yīng)用,將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測(cè)量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。,48,4、壓電式動(dòng)態(tài)力傳感器 車床中用于動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量,49,壓電式步態(tài)分析跑臺(tái),壓電式縱跳 訓(xùn)練分析裝置,壓電傳感器測(cè)量雙腿跳的動(dòng)態(tài)力,50,51,52,5、壓電式振動(dòng)加速度傳感器,橫向振動(dòng)測(cè)振器,縱向振動(dòng)測(cè)振器,53,壓電加速度傳感器的安裝及使用,a)雙頭螺絲固定 b)磁鐵吸附 c)膠水粘結(jié) d)手持探針式 1壓電式加速度傳感器 2雙頭螺栓 3磁鋼 4粘接劑 5頂針,54,55,6、壓電振動(dòng)加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用,加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可