1、第六章：壓電式傳感器第六章：壓電式傳感器主講人：賈鶴萍主講人：賈鶴萍 壓電式傳感器是一種自發電式傳感器。它以某些壓電式傳感器是一種自發電式傳感器。它以某些電介質的電介質的壓電效應壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質為基礎，在外力作用下，在電介質表面產生電荷，從而實現非電量電測的目的。表面產生電荷，從而實現非電量電測的目的。 壓電傳感元件是壓電傳感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以測量最終能，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態力、動態壓力變換為力的那些非電物理量，例如動態力、動態壓力、振動加速度等，但、振動加速度等，但不能用于靜態參數不能用于靜態參數的測量。的測量。 壓電式傳感

2、器具有體積小、質量輕、頻響高、信壓電式傳感器具有體積小、質量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結構堅固、可靠性、穩定性高。、可靠性、穩定性高。 1680年：石英晶體的壓電效應被發現年：石英晶體的壓電效應被發現1948年：制作出第一個石英傳感器。年：制作出第一個石英傳感器。1948年之后：更多具有壓電效應的材料年之后：更多具有壓電效應的材料被發現。如：單晶、多晶陶瓷材料。被發現。如：單晶、多晶陶瓷材料。近幾年：有機高分子聚合材料。近幾年：有機高分子聚合材料。 如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產生機如對晶體施加一定變電場，晶體本身將

3、產生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓逆壓電效應（電致伸縮效應）電效應（電致伸縮效應） 。1、工作原理、工作原理-壓電效應壓電效應 某些晶體或多晶體陶瓷，當沿著一定方向受到某些晶體或多晶體陶瓷，當沿著一定方向受到外力作用時，內部就產生極化現象，同時在某兩個外力作用時，內部就產生極化現象，同時在某兩個表面上產生符號相反的電荷，晶體受力所產生的電表面上產生符號相反的電荷，晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比；當外力去掉后，又恢復荷量與外力的大小成正比；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態；當作用力方向改變時，電荷的極性到不帶電狀態；當作用力方向改

4、變時，電荷的極性也隨著改變。上述現象稱為也隨著改變。上述現象稱為正壓電效應正壓電效應。-壓電式傳感器壓電式傳感器-電聲和超聲工程中利用電聲和超聲工程中利用 圖圖6-1 壓電轉換元件受力變形的幾種基本形式壓電轉換元件受力變形的幾種基本形式返回返回1、工作原理、工作原理-壓電效應壓電效應壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：經過極化處理的壓電陶瓷；經過極化處理的壓電陶瓷；壓電晶體（如上述的石英晶體）；壓電晶體（如上述的石英晶體）；高分子壓電材料。高分子壓電材料。1、工作原理、工作原理-壓電效應壓電效應|X軸為電軸，該軸壓軸為電軸，該軸壓電效應最為顯著（三電效應

5、最為顯著（三個）個）圖圖6-2 石英晶體的外形和晶軸石英晶體的外形和晶軸天然結構的石英晶體呈六角形晶柱，天然結構的石英晶體呈六角形晶柱，|Z軸為光軸，是晶體的對稱軸，光線沿軸為光軸，是晶體的對稱軸，光線沿Z軸通過晶體軸通過晶體不產生雙折射現象。不產生雙折射現象。|Y軸為機械軸，此軸軸為機械軸，此軸加壓力產生形變最大加壓力產生形變最大（三個）（三個）1、工作原理、工作原理-石英晶體石英晶體|石英的化學式為石英的化學式為SiO2，不受外力時不受外力時，形成三個互，形成三個互成成120度夾角的電偶極矩。其矢量和等于零。度夾角的電偶極矩。其矢量和等于零。|當受到沿當受到沿X方向的壓力作用時，合方向的壓

6、力作用時，合偶極矩方向向上，偶極矩方向向上，X軸正向的晶體軸正向的晶體表面出現正電荷，反向表面出現負表面出現正電荷，反向表面出現負電荷。電荷。|當受到沿當受到沿Y方向的壓力作用時，合方向的壓力作用時，合偶極矩方向向下，偶極矩方向向下，X軸正向的晶體軸正向的晶體表面出現負電荷，反向表面出現正表面出現負電荷，反向表面出現正電荷。電荷。-縱向壓電效應縱向壓電效應-橫向壓電效應橫向壓電效應1、工作原理、工作原理-石英晶體石英晶體|當受到沿當受到沿Z方向的壓力作用時，三方向的壓力作用時，三個電偶極矩同時沿個電偶極矩同時沿Z軸平移，矢量軸平移，矢量和等于零，無壓電效應。和等于零，無壓電效應。|當受到各個方

7、向作用大小相等的力當受到各個方向作用大小相等的力時，使之體積變形，也無壓電效應。時，使之體積變形，也無壓電效應。|石英晶體具有良好的厚度變形和長石英晶體具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應，但沒有體積變形度變形壓電效應，但沒有體積變形壓電效應壓電效應返回返回1、工作原理、工作原理-石英晶體石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀雙面鍍銀并封裝并封裝 壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，是人工制造的多晶壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，是人工制造的多晶壓電材料，比石英晶體的壓電靈敏度高得多，制造成壓電材料，比石英晶體的壓電靈敏度高得多，制造成本卻較低，

8、目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采本卻較低，目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷用壓電陶瓷 。1、工作原理、工作原理-壓電陶瓷壓電陶瓷 極化后的鐵電體受到外力作用時，其剩余極化強極化后的鐵電體受到外力作用時，其剩余極化強度將隨之發生變化，從而使一定表面分別產生正、負度將隨之發生變化，從而使一定表面分別產生正、負電荷，壓電陶瓷在極化方向上壓電效應最明顯，將極電荷，壓電陶瓷在極化方向上壓電效應最明顯，將極化方向定義為化方向定義為Z Z軸，垂直于軸，垂直于Z Z軸的平面上任意直線都可軸的平面上任意直線都可作為作為X X軸或軸或Y Y軸。軸。1、工作原理、工作原理-壓電陶瓷壓電陶瓷壓電陶瓷

9、外形 無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶的聚合高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶的聚合物，其壓電效應比較復雜。典型的高分子壓電材料物，其壓電效應比較復雜。典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（有聚偏二氟乙烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚氯乙烯（、改性聚氯乙烯（PVCPVC）等。）等。 它是一種柔軟的壓電材料，可根據需要制成薄膜它是一種柔軟的壓電材料，可根據需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便大量連

10、續拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應范圍較寬，測量動態范圍可達宜，頻率響應范圍較寬，測量動態范圍可達80dB80dB。1、工作原理、工作原理-高分子材料高分子材料高分子壓電薄膜及拉制 高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板 高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應） 壓電元件受到力壓電元件受到力F作用時，在相應的表面產作用時，在相應的表面產生電荷生電荷Q。dFQ其中：其中：d為壓電系數為壓電系數其中：其中： 表示電荷的表面密度，單位為：表示電荷的表面密度，單位為： 單位面積上的作用力，單位為：單位面積上的作用力，單位為： 2cmc2cmNdq

11、qjijijdqi：表示極化方向：表示極化方向 j：表示單向應力方向：表示單向應力方向1、工作原理、工作原理-壓電方程和壓電常數壓電方程和壓電常數jijijdqi表示在表示在i平面上產生電荷，平面上產生電荷，i=1、2、3分別表示在表面垂分別表示在表面垂直與直與X，Y或或Z軸晶體表面，軸晶體表面，j=1、2、3表示在沿表示在沿X，Y、Z軸方向作用的單向應力，軸方向作用的單向應力，j=4、5、6表示晶體在垂直于表示晶體在垂直于X、Y、Z軸的平面上承受剪軸的平面上承受剪切應力。切應力。16d31d表示沿表示沿X軸方向作用的單向應力，使垂直于軸方向作用的單向應力，使垂直于Z軸的表面產生電荷軸的表面產

12、生電荷表示垂直于表示垂直于Z軸的平面的剪切力，使垂直于軸的平面的剪切力，使垂直于X軸的表面產生電荷軸的表面產生電荷拉應力為正，壓應力為負；自旋轉軸的正向看去使其一、拉應力為正，壓應力為負；自旋轉軸的正向看去使其一、三象限的對角線伸長的為剪切力的正號（右手螺旋規則）三象限的對角線伸長的為剪切力的正號（右手螺旋規則）1、工作原理、工作原理-壓電方程和壓電常數壓電方程和壓電常數321qqq1615141312111qqqqqqq6165154143132121111ddddddq6265254243232221212ddddddq6365354343332321313ddddddq任意一個壓電材料可

13、能產生電荷的表面有三種任意一個壓電材料可能產生電荷的表面有三種：654321363534333231262524232221161514131211321ddddddddddddddddddqqqD壓電常壓電常數矩陣數矩陣1、工作原理、工作原理-壓電方程和壓電常數壓電方程和壓電常數 363534333231262524232221161514131211ddddddddddddddddddD 矩陣的每一行表示，壓電元件分別受到矩陣的每一行表示，壓電元件分別受到X，Y、Z軸向軸向的正應力，或垂直于的正應力，或垂直于X、Y、Z軸的平面內的剪切力的軸的平面內的剪切力的作用時，在垂直于作用時，在垂直于

14、X、Y、Z軸表面產生電荷的可能性軸表面產生電荷的可能性與大小。與大小。 dij為零時，表示該方向上沒有壓電效應。為零時，表示該方向上沒有壓電效應。 Dij為絕對值的大小，表示了壓電效應的顯著程度。為絕對值的大小，表示了壓電效應的顯著程度。1、工作原理、工作原理-壓電方程和壓電常數壓電方程和壓電常數 00000000000002625141211dddddD石英晶體的壓電常數矩陣為：石英晶體的壓電常數矩陣為：由于晶格的對稱性由于晶格的對稱性1126142511122dddddd 000000200000001114141111dddddDNCdNCd/1073. 0/1031. 21214121

15、1左旋石英晶體受拉力左旋石英晶體受拉力時取正號，受壓時值時取正號，受壓時值取負號；右旋石英晶取負號；右旋石英晶體相反。體相反。1、工作原理、工作原理-壓電方程和壓電常數壓電方程和壓電常數 00000000000003332312415dddddD鈦酸鋇壓電陶瓷的壓電常數矩陣為：鈦酸鋇壓電陶瓷的壓電常數矩陣為：NCddNCdddNCd/10250/107841. 0/10190122415123332311233縱向壓電效應縱向壓電效應橫向壓電效應橫向壓電效應體積壓電效應體積壓電效應剪切壓電效應剪切壓電效應1、工作原理、工作原理-壓電方程和壓電常數壓電方程和壓電常數 選用合適的壓電材料是設計高性

16、能傳感器的關鍵。一般應選用合適的壓電材料是設計高性能傳感器的關鍵。一般應考慮以下幾個方面：考慮以下幾個方面： 轉換性能：具有較高的耦合系數或具有較大的壓電常數。轉換性能：具有較高的耦合系數或具有較大的壓電常數。 機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、機械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動高、機械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。頻率。 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數，以期望電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻

17、特性。 溫度和濕度穩定性要好：具有較高的居里點，以期望得溫度和濕度穩定性要好：具有較高的居里點，以期望得到寬的工作溫度范圍。到寬的工作溫度范圍。 時間穩定性：壓電特性不隨時間蛻變。時間穩定性：壓電特性不隨時間蛻變。2、壓電材料、壓電材料電荷源：電荷量電荷源：電荷量 Q電容器：電容電容器：電容CasCra0s ：極板面積極板面積 r ：壓電材料相對介電常數壓電材料相對介電常數 0 ：真空介電常數真空介電常數 ：壓電元件厚度壓電元件厚度aCQU 電壓源：電壓電壓源：電壓 U電容器：電容電容器：電容Ca3、等效電路、等效電路電纜電容：電纜電容：放大器輸入電阻：放大器輸入電阻：放大器輸入電容：放大器輸

18、入電容：壓電傳感器的絕緣電阻：壓電傳感器的絕緣電阻：cCiRiCaR3、等效電路、等效電路 與壓電元件配套的測量電路的前置放大器有兩與壓電元件配套的測量電路的前置放大器有兩種形式：種形式： 作為與壓電式傳感器配套的測量電路，通常是作為與壓電式傳感器配套的測量電路，通常是先將傳感器的信號輸入到先將傳感器的信號輸入到高輸入阻抗高輸入阻抗的的前置放大器前置放大器。電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電式傳感器壓電式傳感器的輸出電壓的輸出電壓)成正比。成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷(壓電式傳感器壓電式傳感器的輸出電荷的輸出電荷)

19、成正比。成正比。放大壓電式傳感器輸出的微弱信號，放大壓電式傳感器輸出的微弱信號，把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換低阻抗輸出把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換低阻抗輸出4、測量電路、測量電路iaiaiaRRRRRRR/icicCCCCC/aCQu/tFFmsin設壓電元件上受到一個交變力設壓電元件上受到一個交變力tFdFdqmsin3333假設壓電元件的材料為壓電陶瓷，其壓電常數為假設壓電元件的材料為壓電陶瓷，其壓電常數為33duCCRjRCjuaai1amaCtFdCqu/sin/33tFdCCRjRjmasin133tFdRCjRjmsin133aicCCCC4、測量電路、測量電路-電壓放大器電壓

20、放大器tFdRCjRjumisin1332331CRRFdUmimRCiarctan2當當R無限大時無限大時CFdUmm33電壓幅值比：電壓幅值比：12CRRCUUmim11RC1211mimUU1arctan2i4、測量電路、測量電路-電壓放大器電壓放大器圖圖6-10 電壓幅值比和相電壓幅值比和相角頻率比的關系曲線角頻率比的關系曲線1211mimUU1arctan2i當作用在壓電元件上的力為靜當作用在壓電元件上的力為靜態力時，前置放大器的輸入電壓態力時，前置放大器的輸入電壓為零。為零。從原理上決定了傳感器不從原理上決定了傳感器不能用于靜態物理量的測量。能用于靜態物理量的測量。當當 時，電壓幅

21、值比時，電壓幅值比趨近于趨近于1，可以近似看做前置，可以近似看做前置放大器的輸入電壓與頻率無關，其值越接近于理想情況下放大器的輸入電壓與頻率無關，其值越接近于理想情況下的輸入電壓。表明傳感器的高頻響應比較好。的輸入電壓。表明傳感器的高頻響應比較好。314、測量電路、測量電路-電壓放大器電壓放大器圖圖6-10 電壓幅值比和相電壓幅值比和相角頻率比的關系曲線角頻率比的關系曲線1211mimUU1arctan2i當被測量是緩慢變化的動態量，當被測量是緩慢變化的動態量，為了擴大傳感器的低頻響應范圍，為了擴大傳感器的低頻響應范圍，需減小需減小 的值。的值。1提高電阻（傳感器的絕緣電阻和放提高電阻（傳感器

22、的絕緣電阻和放大器的輸入電阻）大器的輸入電阻）增加電容（傳感器電容、電纜電容：增加電容（傳感器電容、電纜電容：放大器輸入電容）放大器輸入電容）RC11aicCCCCiaRRR/4、測量電路、測量電路-電壓放大器電壓放大器1233CRRdFUkmimu1233CRRFdUmim22331RCd1RCd33增加回路電容，會導致傳感器的靈敏度的下降。因此，增加回路電容，會導致傳感器的靈敏度的下降。因此，一般通過提高測量回路的電阻來改善低頻響應范圍。一般通過提高測量回路的電阻來改善低頻響應范圍。傳感器實際靈敏度與電纜電容相關，因此，電纜不宜傳感器實際靈敏度與電纜電容相關，因此，電纜不宜太長，且不能隨意

23、更換電纜。太長，且不能隨意更換電纜。4、測量電路、測量電路-電壓放大器電壓放大器 電荷放大器實際上是一個具有電荷放大器實際上是一個具有深度負反饋深度負反饋的的高高增益運算放大器增益運算放大器。 電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉換為電壓（換為電壓（Q/U轉換器），但并無放大電荷的轉換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。作用，只是一種習慣叫法。4、測量電路、測量電路-電荷放大器電荷放大器圖圖6-11 電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路FicaCKCCjCKQU)1 (0當當K足夠大時，足夠大時，FFicaKCCCCCFCQU0 輸出電壓正比于輸入

24、電荷，輸出與輸入反向，而且輸出輸出電壓正比于輸入電荷，輸出與輸入反向，而且輸出靈敏度不受電纜分布電容的影響。靈敏度不受電纜分布電容的影響。FicaiCKCCCQU)1 ( 4、測量電路、測量電路-電荷放大器電荷放大器一、高分子壓電材料的應用一、高分子壓電材料的應用 1) 玻璃打碎報警裝置玻璃打碎報警裝置 將高分子壓電測將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎時會發出的振動，并時會發出的振動，并將電壓信號傳送給集將電壓信號傳送給集中報警系統。中報警系統。 粘貼粘貼位置位置5、應用舉例、應用舉例 將長的壓電電纜埋在泥將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，

25、可起分布式土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內探用，可在幾十米范圍內探測人的步行測人的步行, 對輪式或履帶對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處式車輛也可以通過信號處理系統分辨出來。右圖為理系統分辨出來。右圖為測量系統的輸出波形。測量系統的輸出波形。2)壓電式周界報警系統壓電式周界報警系統（用于重要位置出入口、周界安全防護等）（用于重要位置出入口、周界安全防護等）5、應用舉例、應用舉例高分子壓電電纜的應用演示 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分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、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速類信息（包

26、括軸數、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區域監控、交監測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區域監控、交通數據信息采集（道路監控）及機場滑行道等。通數據信息采集（道路監控）及機場滑行道等。3)交通監測 3)交通監測 將兩根高分子壓電電纜相距將兩根高分子壓電電纜相距若干米若干米，平行埋設于，平行埋設于柏油公路的路面下約柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據存儲在計算機內部的檔案數據，判的載重量，并根據存儲在計算機內部的檔案數據，判定汽車的車型。定汽車的車型。 壓電式動態力傳感器以及在車床中用于動態切削力的測量 二、壓電陶瓷

27、傳感器的應用 5、應用舉例、應用舉例壓電式動態力傳感器在體育動態測量中的應用壓電式步態壓電式步態分析跑臺分析跑臺壓電式縱跳壓電式縱跳 訓練分析裝置訓練分析裝置壓電傳感器測量壓電傳感器測量雙腿跳的動態力雙腿跳的動態力1）非線性）非線性 壓電傳感器的幅值線性度是指被測物理量壓電傳感器的幅值線性度是指被測物理量(如力、壓力、如力、壓力、加速度等加速度等)的增加，其靈敏度的變化程度。的增加，其靈敏度的變化程度。 圖圖6-17 壓電加速度傳感器的幅值線性度曲線壓電加速度傳感器的幅值線性度曲線 影響因素：影響因素： 一是壓電轉換元件的彈性一是壓電轉換元件的彈性極限和線性響應極限；極限和線性響應極限； 二是壓電加速度傳感器二是壓電加速度傳感器的額定預載荷極限。的額定預載荷極限。6、影響壓電式傳感器精度的因素分析、影響壓電式傳感器精度的因素分析2）橫向靈敏度）橫向靈敏度 壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當加速度傳感壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當加速度傳感器感受到與其主軸向器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向軸向靈敏度方向)垂直的單垂直的單位加速度振動時的靈敏度，一般用它與主軸向靈位加