第6章壓電式傳感器主要內容6.1

工作原理6.2壓電式傳感器測量電路6.3壓電式傳感器的應用知識單元與知識點壓電效應、正壓電效應、逆壓電效應的基本概念；壓電材料的分類及其特性；壓電式傳感器的等效電路、電荷放大器與電壓放大器的測量電路；壓電元件的連接特性；壓電式傳感器的應用。能力點深入理解壓電效應、正壓電效應、逆壓電效應的基本概念；理解壓電式傳感器的等效電路、電荷放大器與電壓放大器的測量電路；了解壓電材料的分類及其特性；會分析壓電元件的連接特性；了解壓電式傳感器的應用。重難點重點：壓電式傳感器的工作原理、測量電路。難點：壓電式傳感器的測量電路。學習要求掌握壓電效應、正壓電效應、逆壓電效應的含義；掌握石英晶體具有壓電效應特性的分子結構特性、壓電陶瓷的壓電特性機理；了解壓電材料的主要特性參數及其含義、壓電材料的選取；掌握壓電式傳感器的等效電路與測量電路；掌握壓電元件并聯或串聯特性；了解壓電式傳感器的典型應用。6.1工作原理順壓電效應

某些電介質物質，沿某一方向受到外力作用時，會產生變形，在其內部產生極化現象，同時在這種材料的兩個表面會產生符號相反的電荷，當外力去掉后，它又重新恢復到不帶電的狀態，這種現象被稱為“壓電效應”。當作用力方向改變時,電荷極性也隨之改變。這種機械能轉化為電能的現象也稱為“正壓電效應”或“順壓電效應”。

(加力—變形—產生電荷)6.1.1壓電效應6.1.1壓電效應

逆壓電效應

當在某些物質的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上就會產生機械變形或機械應力；當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。這種電能轉化為機械能的現象稱為“逆壓電效應”或“電致伸縮效應”。逆壓電效應電能機械能正壓電效應壓電效應的可逆性6.1.1壓電效應特點：結構簡單、體積小、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測量范圍廣等。用途：主要用于與力相關的動態參數測試，如動態力、機械沖擊、振動等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉換為電量。壓電傳感器6.1.2壓電材料石英晶體天然形成的石英晶體外形由晶體學可知，無對稱中心的晶體，通常具有壓電效應。石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝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，因此目前國內外生產的壓電元件絕大多數都采用壓電陶瓷。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）。壓電系數高，靈敏度較石英材料高，但工作溫度低，溫度穩定性和機械強度都不如石英。10

陶瓷片內的極化強度總是以電偶極矩的形式表現出來，即在陶瓷的一端出現正束縛電荷，另一端出現負束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符號相反而數量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內極化強度對外界的作用。陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋11

如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產生壓縮形變。片內的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現放電現象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現充電現象。

——正壓電效應－F＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向

正壓電效應示意圖126.2

測量電路

當壓電晶體承受應力作用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個電荷源與一個電容并聯的電荷發生器。6.2.1等效電路壓電式傳感器本身的內阻抗很高（1010歐以上），輸出能量小，常在測量電路中加一個高輸入阻抗的前置放大器，作用：（1）把高輸入阻抗轉換為低輸出阻抗（小于100歐）；（2）對傳感器輸出的微弱信號進行放大。6.2.1測量電路15電荷放大器等效電路電荷放大器K是放大器的開環增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。q：傳感器的電荷Ce：連接電纜的等效電容RF：反饋電阻CF：反饋電容16

電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容CF和高增益運算放大器構成。由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯電阻。式中：Uo——放大器輸出電壓；

Ud——反饋電容兩端電壓。四通道電荷放大器外形.18

壓電傳感器接放大器的等效電路（a）放大器電路（b）等效電路電壓放大器（阻抗變換器）Ua：傳感器的電壓Re：傳感器的漏電阻Ce：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容19電壓放大器應用限制壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應用。上一頁下一頁返回20解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。上一頁下一頁返回壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯連接的石英晶片，放大器是一個超小型靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于零就避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號，這樣彌補了石英晶體靈敏度低的缺陷。

6.2.3壓電元件的連接與變形壓電元件的連接圖b）從電路上看是串聯的，兩壓電片中間粘接處正負電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

圖a）從電路上看，這是并聯接法，類似兩個電容的并聯。所以，外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產生的變形和電荷數量大小都與單片時相同。6.3壓電式傳感器的應用6.3.1壓電式力傳感器

壓電元件是直接把力轉換為電荷的傳感器。變形方式：利用縱向壓電效應的方式最簡便。材料選擇：決定于所測力的量值大小，對測量誤差提出的要求、工作環境溫度等各種因素。晶片數目：通常是使用機械串聯而電氣并聯的兩片。晶片電氣并聯兩片，可以使傳感器的電荷輸出靈敏度增大一倍。6.3.2壓電式加速度傳感器

實際應用舉例—壓電(陶瓷)式動態力傳感器以及在車床中用于動態切削力的測量25實際應用舉例—交通監測

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。26高分子壓電電纜的應用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路的路面下約5cm，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，判定汽車的車型。

27壓電式玻璃破碎報警器將高分子壓電測振