1、第五章第五章 壓電傳感器壓電傳感器 它是利用它是利用壓電材料壓電材料制成傳感元件的傳感器。制成傳感元件的傳感器。該傳感器利用了壓電材料的該傳感器利用了壓電材料的，即在，即在外力作用下，該材料的表面產生電荷，從而外力作用下，該材料的表面產生電荷，從而實現非電量的電測。實現非電量的電測。 壓電傳感器的壓電傳感器的特點特點：頻響好；靈敏度高；：頻響好；靈敏度高；信噪比大。信噪比大。 參考書：參考書： 壓電學壓電學 張福學張福學v工作原理工作原理壓電效應壓電效應石英晶體石英晶體壓電陶瓷壓電陶瓷v壓電材料壓電材料v測量電路測量電路等效電路等效電路測量電路測量電路電壓放大器和電荷放大器電壓放大器和電荷放大

2、器v補償技術補償技術v應用簡介應用簡介壓電傳感器主要內容壓電傳感器主要內容第一節第一節 壓電效應壓電效應1 1、現象：對于某些電介質材料，當沿一定方向對其現象：對于某些電介質材料，當沿一定方向對其 施力施力時，因其內部的極化現象，該材料表時，因其內部的極化現象，該材料表 面產生面產生符號相反的電荷符號相反的電荷；當外力不存在；當外力不存在 時，重新恢復不帶電狀態，該現象稱作時，重新恢復不帶電狀態，該現象稱作壓壓 電效應電效應（或正壓電效應）。（或正壓電效應）。 反之，當在其表面加以電場時，該電介質會產生反之，當在其表面加以電場時，該電介質會產生形變，該現象稱為形變，該現象稱為逆壓電效應逆壓電效

3、應。2 2、工作原理、工作原理（1 1）石英晶體壓電效應的定性分析：）石英晶體壓電效應的定性分析：v石英晶體：一般為正六面體。石英晶體：一般為正六面體。v坐標系：坐標系：x x軸為電軸，與棱線垂直；軸為電軸，與棱線垂直；y y軸為機械軸；軸為機械軸；z z 軸為光軸，與橫截面垂直軸為光軸，與橫截面垂直主軸坐標系。主軸坐標系。 v硅氧離子在（硅氧離子在（0 0，0 0，1 1）晶面的排列：位于正六）晶面的排列：位于正六面體橫截面的六個頂角上，由此形成三對偶極矩面體橫截面的六個頂角上，由此形成三對偶極矩互成互成1201200 0的偶極子。且有：的偶極子。且有： ，所以，所以合偶極矩為合偶極矩為0

4、0。 321ppp石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應v當晶體受到當晶體受到x方向作用力時，方向作用力時， 若若FxFx大于大于0（拉力），則有：（拉力），則有： 。若若FxFx小于小于0 （壓力），則有：（壓力），則有： 。總之，總之，當晶體受到沿當晶體受到沿x x方向的作用力方向的作用力時，它時，它將將在在x x軸方向產生正壓電效應軸方向產生正壓電效應，在，在y y和和z z方向不方向不產生壓電效應。這稱為產生壓電效應。這稱為xppp)(321xppp)(321石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應v當受到當受到y y方向作用力時，方向作用力時， 若若FyFy大于大于0 0 （拉力），則有：

5、（拉力），則有： 。FxFx小于小于0 0的的 若若FyFy小于小于0 0 （壓力），則有：（壓力），則有： 。FxFx大于大于0 0的情況的情況。當當晶體受到沿晶體受到沿y y方向的作用力方向的作用力時，它將時，它將在在x x軸方軸方向產生正壓電效應向產生正壓電效應，在，在y y和和z z方向不產生壓電效應。方向不產生壓電效應。這稱為這稱為xppp)(321xppp)(321石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應v當受到當受到z z軸方向軸方向作用力時，作用力時，石英晶體不存在壓石英晶體不存在壓電效應電效應。石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應（2 2）石英晶體壓電效應的定量分析：）石英晶體壓

6、電效應的定量分析： 沿一定晶向切割的晶體切片，設其長、寬、高分沿一定晶向切割的晶體切片，設其長、寬、高分別為別為l l、t t、b b，在垂直，在垂直x x軸的晶面上鍍以電極，當它軸的晶面上鍍以電極，當它受到受到沿沿x x方向的應力方向的應力時，有極化強度：時，有極化強度： 且且在彈性范圍內，極化強度與應力呈正比在彈性范圍內，極化強度與應力呈正比，有：，有： 1./QlbttqVpPxxxblFddP.11111石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應v縱向壓電效應可以寫成：縱向壓電效應可以寫成：（其中其中q q為電量，為電量，d d為壓電為壓電系數系數） 或或v橫向壓電效應可以寫成：橫向壓電效應

7、可以寫成： 或或1111dP 1111Fdq 2121dP tlFdtlFdq/./.2112121結結 論論v輸入信號（輸入信號（F F）與輸出信號（與輸出信號（q q）呈）呈關系關系；v石英晶體的石英晶體的；v電軸的正壓電效應較強；電軸的正壓電效應較強；v縱向壓電效應產生的電量縱向壓電效應產生的電量q q與晶體尺寸與晶體尺寸無關無關；v橫向壓電效應產生的電量橫向壓電效應產生的電量q q與晶體尺寸與晶體尺寸有關有關；v正壓電效應和逆壓電效應兩者共存。正壓電效應和逆壓電效應兩者共存。（3 3）一般情況）一般情況 壓電效應壓電效應可寫為：可寫為： （正）（正）其中其中 為電荷面密度；為電荷面密度

8、；i=1i=1，2 2，3 3為晶體極化為晶體極化方向；方向；j=1j=16 6為晶體應力方向。為晶體應力方向。此外，此外， 是是3131階矩陣；階矩陣； 是是3636階矩陣；階矩陣； 是是6161階矩陣。階矩陣。jijidQSqQiji/iQijdj壓電系數壓電系數d d的幾點說明的幾點說明vd d與切割方向有關，不同的切型有不同的與切割方向有關，不同的切型有不同的d d。v物理意義：在物理意義：在“短路條件短路條件”下，單位應力產生的電下，單位應力產生的電荷荷 面密度。面密度。v短路條件：壓電元件的表面電荷一經產生就立即被短路條件：壓電元件的表面電荷一經產生就立即被 引開，從而晶體上的形變

9、不存在引開，從而晶體上的形變不存在“二次二次 效應效應”。（4 4）壓電陶瓷中的壓電效應）壓電陶瓷中的壓電效應v材料特點：人工制造的多晶壓電材料，具有材料特點：人工制造的多晶壓電材料，具有電疇電疇結結構。構。電疇電疇具有一定的極化方向，經電場處理后，陶具有一定的極化方向，經電場處理后，陶瓷內部存在很強的瓷內部存在很強的剩余極化強度剩余極化強度壓電效應的內壓電效應的內因。因。v該極化強度使材料表面出現束縛電荷，從而吸附了該極化強度使材料表面出現束縛電荷，從而吸附了一層一層外界自由電荷，外界自由電荷，屏蔽和抵消了束縛電荷對外界屏蔽和抵消了束縛電荷對外界的影響的影響壓電效應的外因壓電效應的外因。壓電

10、陶瓷中壓電效應的壓電陶瓷中壓電效應的定性分析定性分析v正壓電效應正壓電效應 沿極化方向受力沿極化方向受力F F 極化強度減小極化強度減小 吸附吸附的自由電荷減少的自由電荷減少（放電）；（放電）； 壓力消失壓力消失 極化強度加大極化強度加大 重新吸附電荷重新吸附電荷（充電）（充電） 。v逆壓電效應逆壓電效應 沿極化方向加一電場沿極化方向加一電場E E 極化強度加大極化強度加大 材料沿極化方向產生變形。材料沿極化方向產生變形。壓電陶瓷中的壓電效應壓電陶瓷中的壓電效應 總之，壓電陶瓷中的壓電效應，是由于總之，壓電陶瓷中的壓電效應，是由于內部內部存在存在，經處理產生，經處理產生后，在后，在下下（F o

11、r EF or E），），使陶瓷出現壓電，使陶瓷出現壓電效應。效應。v常用定量關系（縱向壓電效應）：常用定量關系（縱向壓電效應）： 即受力和極化方向為即受力和極化方向為 軸方向。軸方向。3333 dQ壓電傳感器的工作原理小結壓電傳感器的工作原理小結v石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應縱向壓電效應縱向壓電效應: 或或橫向壓電效應橫向壓電效應: 或或v壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應縱向壓電效應縱向壓電效應:v一般情況：一般情況： 是是3131階矩陣；階矩陣； 是是3636階矩陣；階矩陣； 是是6161 階矩陣。階矩陣。iQijdjjijidQ333dQ 2121dQ 1111dQ 1111

12、Fdq tlFdq/2121第二節第二節 壓電材料壓電材料v石英晶體石英晶體 1 1、介電常數和壓電系數的介電常數和壓電系數的溫度穩定性好溫度穩定性好； 2 2、為各向異性材料。為各向異性材料。v壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、壓電系數高壓電系數高（應用廣泛）；（應用廣泛）； 2 2、常用材料：鈦酸鋇和常用材料：鈦酸鋇和PZTPZT上海硅酸鹽所的上海硅酸鹽所的高溫壓電陶瓷高溫壓電陶瓷等等 高溫壓電陶瓷高溫壓電陶瓷 壓電馬達芯片壓電馬達芯片壓電變壓器壓電變壓器 壓電馬達壓電馬達 其它其它壓電陶瓷壓電陶瓷元件元件主要應用主要應用v應用：生產的鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、含應用：生產的鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、偏

13、鈮酸鉛、含鉍層狀結構等壓電陶瓷已廣泛應用于電聲器件、鉍層狀結構等壓電陶瓷已廣泛應用于電聲器件、醫用超聲探頭、水聲換能器、魚群探測器、超聲醫用超聲探頭、水聲換能器、魚群探測器、超聲清洗機、流量計、高溫檢測等。清洗機、流量計、高溫檢測等。第三節第三節 測量電路測量電路 1 1、等效電路：、等效電路： 在開路時，壓電材料的電容和電壓可表示在開路時，壓電材料的電容和電壓可表示為：為： （以石英晶體縱向壓電效應為例）（以石英晶體縱向壓電效應為例） 所以它相當于電容器和電荷發生器。因此所以它相當于電容器和電荷發生器。因此有有電壓電壓和和電荷電荷兩種兩種等效電路等效電路。tlbtSCa/aaCqU/1 1、

14、等效電路、等效電路v壓電材料壓電材料電壓等效電路電壓等效電路 電壓靈敏度電壓靈敏度：v壓電材料壓電材料電荷等效電路電荷等效電路 電荷靈敏度電荷靈敏度：FUKau/FqKq/aaCqU/aaCUqaquCKK/電荷等效電路電荷等效電路 當傳感器當傳感器與前置電路相連時與前置電路相連時的電荷等效電路：的電荷等效電路： RaRa：導線和傳感器的絕緣電阻；：導線和傳感器的絕緣電阻； CcCc：電纜電容；：電纜電容； CiCi和和RiRi：前置級的輸入電阻和電容。：前置級的輸入電阻和電容。材料電荷等效電路兩點說明兩點說明v由于只有在外電路開路時，傳感器受力后產由于只有在外電路開路時，傳感器受力后產生的電

15、荷才可以保存，所以一般它生的電荷才可以保存，所以一般它。v為保證系統有一定的低頻響應，一般有為保證系統有一定的低頻響應，一般有歐，因此與之并聯的輸入電阻歐，因此與之并聯的輸入電阻RiRi也很也很高。高。2 2、前置級放大器、前置級放大器v作用作用：將高輸出阻抗變成低輸出阻抗；將高輸出阻抗變成低輸出阻抗；放大傳感器的微弱信號；放大傳感器的微弱信號；信號變換（信號變換（q Uscq Usc）。）。v形式形式： 電壓放大器和電荷放大器。電壓放大器和電荷放大器。（1 1）電壓放大器）電壓放大器v有關參數：有關參數： / ， ；壓電元件受力：；壓電元件受力： 對于壓電陶瓷有：對于壓電陶瓷有：aRR iR

16、icCCCtFFmsinFCdUaa33壓電材料壓電材料電壓放大器電壓放大器v輸入信號：輸入信號：v幅值：幅值：v相位：相位：v測量電路的時間常數：測量電路的時間常數：FdCCRjRjUai33.)(122233)(1)(amimCCRRFdU)(tan21icaCCCR01)(icaCCCR電壓放大器電壓放大器v輸入幅值：輸入幅值：v頻率較高時的輸入幅值：頻率較高時的輸入幅值：v相對幅頻特性：相對幅頻特性：v輸出幅值：輸出幅值：2033)/(1)(mimRFdU222)(1)()()(aciaciimimCCCRCCCRUUkimscmUAU0icamimCCCFdU33時0電壓放大器的幾點

17、說明電壓放大器的幾點說明v-3dB-3dB下限工作頻率：下限工作頻率：v對于一定電路的時間常數對于一定電路的時間常數 ，壓電傳感，壓電傳感器具有器具有。v電路靈敏度：電路靈敏度： 在在 時，有時，有 ，即，即。03 dBL2233)/1 ()(RCCCdFUKacimimu1/0)(33aciuCCCdK（2 2）電荷放大器）電荷放大器v特點：具有深度負反饋的高增益放大器。特點：具有深度負反饋的高增益放大器。壓電材料壓電材料電荷放大器電荷放大器v放大器的等效電阻和電容：放大器的等效電阻和電容：v放大器的等效阻抗：放大器的等效阻抗： /v放大器的輸入電壓和電流：放大器的輸入電壓和電流：FiCAC

18、)1 (001ARRFiiiZUi iiCjZiR電荷放大器的等效電路和輸入信號電荷放大器的等效電路和輸入信號v等效電路：等效電路：v輸入電荷：輸入電荷： tjmeqqi電荷放大器的輸出電荷放大器的輸出v輸入電流：輸入電流：v輸出電壓：輸出電壓：tjmeqjdtdqi)1 (1)1 (10000FcaFaiscCACCjRARqAjUAU電荷放大器輸出的說明電荷放大器輸出的說明v傳感器的輸出值約為：傳感器的輸出值約為： ；所以要；所以要求反饋電容求反饋電容 具有良好的穩定性具有良好的穩定性; v3dB3dB截止頻率：截止頻率：FscCqUFCFFLCR1電荷和電壓放大器的性能比較電荷和電壓放大

19、器的性能比較電壓放大器電壓放大器電荷放大器電荷放大器3dB3dB下限頻率：下限頻率：3dB3dB下限頻率：下限頻率：輸出電壓：輸出電壓： 輸出電壓：輸出電壓： 屏蔽線必須與標定時一致！屏蔽線必須與標定時一致！屏蔽線不一定與標定時一致！屏蔽線不一定與標定時一致！必須使用屏蔽線與傳感元件連接！必須使用屏蔽線與傳感元件連接！0LFFLCR1FscCqUicamimCCCFdU331/L1/L第四節第四節 誤差效應和補償誤差效應和補償v環境溫度的影響環境溫度的影響 進行人工老化處理等。進行人工老化處理等。v濕度的影響濕度的影響進行清潔和密封。進行清潔和密封。v噪聲噪聲 包括電纜噪聲和接地噪聲。包括電纜

20、噪聲和接地噪聲。第五節第五節 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用 1 1、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 v特點：具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命特點：具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。長等優異的特點。 v應用：在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的應用：在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和振動和沖擊測量沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和中已經得到了廣泛的應用，特別是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v工作原理工作原理: : 有慣性力作用在壓電陶瓷片上產生電荷為有慣性力作用在壓電陶瓷片上產生電荷

21、為: :表明電荷量直接反映加速度大小。它的靈敏度與壓電表明電荷量直接反映加速度大小。它的靈敏度與壓電材料壓電系數和質量塊質量有關。材料壓電系數和質量塊質量有關。 v實際工作方式實際工作方式: : 一般壓電片的連接方式有兩種一般壓電片的連接方式有兩種- -并聯和串聯并聯和串聯. .有有: : , madFdq3333 CC;UU;q q22 CC;UU;q q212 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v說明說明: : 在兩種接法中，在兩種接法中，并聯接法并聯接法輸出電荷大，時輸出電荷大，時間常數大，間常數大，宜用于測量緩變信號宜用于測量緩變信號，并且適用于，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。而

22、以電荷作為輸出量的場合。而串聯接法串聯接法，輸出，輸出電壓大，本身電容小，電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出適用于以電壓作為輸出信號，信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。且測量電路輸入阻抗很高的場合。 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v動態響應動態響應 壓電式加速度傳感器可用質量，彈簧、阻壓電式加速度傳感器可用質量，彈簧、阻尼的二階系統來模擬尼的二階系統來模擬. .設被測振動體位移設被測振動體位移 ，質量塊相對位移質量塊相對位移 ，則質量塊與被測振動體，則質量塊與被測振動體的相對位移為的相對位移為 ，根據牛頓第二定律，有，根據牛頓第二定律，有: : 0 xmxix20200202dt

23、xd)xx(mkdt)xx(dmcdt)xx(dmmm 20020021 DDaxxmkmc2 mk 0 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器頻率傳遞函數，有頻率傳遞函數，有: :幅頻特性為幅頻特性為: : 相頻特性相頻特性: :20202000)(211axxm 18012200 arctanj)j(axxm 0202000211 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v主要性能主要性能: :壓電式加速度傳感器靈敏度壓電式加速度傳感器靈敏度 當被測體振動頻率遠小于傳感器固有頻率當被測體振動頻率遠小于傳感器固有頻率時，傳感器的相對靈敏度為常數，有時，傳感器的相對靈敏度為常數，有: : 20220

24、2033021 ykdaq20330 ykdaq 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器v兩點說明兩點說明: :由于傳感器固有頻率很高，因此頻率范圍較寬，由于傳感器固有頻率很高，因此頻率范圍較寬，一般在幾一般在幾HzHz到幾千到幾千HzHz。 傳感器低頻響應與前置放大器有關。若采用電壓傳感器低頻響應與前置放大器有關。若采用電壓前置放大器，那么低頻響應將取決于變換電路的前置放大器，那么低頻響應將取決于變換電路的時間常數。前置放大器輸入電阻越大，則傳感器時間常數。前置放大器輸入電阻越大，則傳感器下限頻率越低。下限頻率越低。 第五節第五節 壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用壓電薄膜交通傳感器壓電薄膜交通

25、傳感器 v應用應用 美國美國MSIMSI公司經過多年研究，開發出的一種傳感公司經過多年研究，開發出的一種傳感器，器，用于檢測車速、動態稱重（用于檢測車速、動態稱重（WIMWIM）、收費站地）、收費站地 磅、闖紅燈拍照、停車區域監控及交通信息采集磅、闖紅燈拍照、停車區域監控及交通信息采集（道路監控）等領域。可獲取精確的、具體的數據，（道路監控）等領域。可獲取精確的、具體的數據，如精確速度信號、分類信息和長期反饋交通信息統如精確速度信號、分類信息和長期反饋交通信息統計數據。計數據。 壓電薄膜交通傳感器壓電薄膜交通傳感器v壓電薄膜交通傳感器是由金屬芯線、壓電材料壓電薄膜交通傳感器是由金屬芯線、壓電材

26、料（VDF-TrFEVDF-TrFE）和金屬外殼組成）和金屬外殼組成 ；v安裝方式：安裝方式：產品主要特性產品主要特性 v芯線：芯線：16AWG 16AWG 扁平編織鍍銀銅芯線扁平編織鍍銀銅芯線；v外形尺寸外形尺寸: 6.6mm6.6mm寬寬 x 1.6mmx 1.6mm厚；厚；v芯線與屏蔽層間的絕緣電阻：芯線與屏蔽層間的絕緣電阻：500M500M歐；歐；v輸出一致性：傳感器長度方向的輸出一致性在輸出一致性：傳感器長度方向的輸出一致性在用于動態稱重（用于動態稱重（WIMWIM）時為）時為7%7%，用于其它用，用于其它用途，如車輛分類統計、車速監測、闖紅燈拍照途，如車輛分類統計、車速監測、闖紅燈

27、拍照等時為等時為20%20%。v工作溫度范圍：工作溫度范圍：-40 80 -40 80 （1 1）車速監測）車速監測 通常在每條車道上安裝兩條傳感器，當輪胎通常在每條車道上安裝兩條傳感器，當輪胎經過傳感器經過傳感器A A時，啟動電子時鐘，當輪胎經過時，啟動電子時鐘，當輪胎經過傳感器傳感器B B時，時鐘停止。兩個傳感器之間的距時，時鐘停止。兩個傳感器之間的距離一般是離一般是3 3米，或比米，或比3 3米短一些（可根據需要確米短一些（可根據需要確定）。由此可得出車速。定）。由此可得出車速。 根據德國根據德國PTFPTF的報告，當汽車以的報告，當汽車以200200公里公里/小小時的勻速行駛時，測量精度可達到時的勻速行駛時，測量精度可達到