第6章壓電式傳感器6.1壓電效應及壓電材料

6.2壓電式傳感器測量電路6.3壓電式傳感器的應用本章知識要點正壓電效應、逆壓電效應的含義。壓電式傳感器的工作原理。壓電式傳感器的測量電路。一、壓電效應1、正壓電效應沿著一定方向對某電介質施力而使它變形時，在它的兩個表面上產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態。這種現象稱壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。6.1壓電效應及壓電材料

當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態力的頻率相同；當動態力變為靜態力時，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演示壓電介質正壓電效應Q(E)電能T(S)機械能逆壓電效應2、逆壓電效應（電致伸縮）當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產生幾何變形，這種現象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。有哪些？

自然界的大多數晶體都具有壓電效應，如石英晶體，還有人造晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。

分類：壓電晶體、壓電陶瓷和高分子材料。

二、壓電材料簡介壓電常數彈性系數介電常數機電耦合系數電阻居里點

壓電效應強弱：靈敏度固有頻率、動態特性固有電容、頻率下限

機電轉換效率泄漏電荷、改善低頻特性喪失壓電性的溫度性能參數壓電材料的特性參數

選用合適的壓電材料是設計、制作高性能傳感器的關鍵。一般應考慮：轉換性能機械性能電性能溫度、濕度穩定性好時間穩定性壓電材料的選取天然形成的石英晶體外形6.1.1石英晶體

天然形成的石英晶體外形（續）

圖6-2石英晶體(b)切割方向；(c)晶片石英晶體化學式為SiO2電軸機械軸光軸橫向壓電效應縱向壓電效應fxfy無壓電效應正六面體ｙxｚＺ光軸Ｘ電軸機械軸坐標軸石英晶體的壓電效應：硅離子氧離子石英晶體在X-Y平面離子分布X方向受壓力Y方向受壓力X方向受壓力或Y方向受拉力X方向受拉力或Y方向受壓力Z方向受拉力或壓力fxfy式中,d11為x方向受力的壓電系數。沿電軸x方向施加作用力fx，在與電軸x垂直的平面上將產生電荷qx

：沿機械軸y方向施加作用力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產生電荷qy：式中：d12——y軸方向受力的壓電系數,根據對稱性，有d12=-d11；

a、b——晶體切片的長度和厚度。與尺寸無關與尺寸有關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振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產生穩定的振蕩輸出頻率。晶振未極化前：不具壓電性撤銷外電場加外強電場E

壓電陶瓷：是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發極化的電疇，各電疇具有一定的極化方向。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。6.1.2壓電陶瓷

機械能

電能正壓電效應：壓電陶瓷的正壓電效應FF加力F放電現象式中：

d33——

壓電陶瓷的壓電系數；

F——作用力。

壓電陶瓷的壓電系數大，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，但是穩定性差。

鈦酸鋇（BaTiO3）：它是最早的壓電陶瓷材料，由碳酸鋇和二氧化鈦按1∶1摩爾分子比例混合后燒結而成的。它的壓電系數約為石英的50倍，但居里點溫度只有115℃，使用溫度不超過70℃，溫度穩定性和機械強度都不如石英。

鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點在300℃以上，性能穩定，有較高的介電常數和壓電系數。

鈮鎂酸鉛是20世紀60年代發展起來的壓電陶瓷。它由鈮鎂酸鉛 、鋯酸鉛（PbZrO3）和鈦酸鉛（PbTiO3）按不同比例配出不同性能的壓電陶瓷。具有極高的壓電系數和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。壓電陶瓷外形

高分子壓電材料

高分子材料屬于有機分子半結晶或結晶聚合物，其壓電效應較復雜。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80dB。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

壓電式腳踏報警器

常用壓電材料6.1.3壓電式傳感器

工作原理壓電效應壓電式傳感器靜態測量?動態測量無法存儲電荷電荷量甚微，中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結在一起。金屬電極并聯串聯（1）并聯：（2）串聯：電容大，輸出電荷大，時間常數大，適宜用在測量慢變信號。電容小，輸出電壓大，適宜用于以電壓輸出，并且輸入阻抗很高的場合。+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-并聯Q’=nQU’=UC’=nC串聯Q’=QU’=nUC’=C/n(a)厚度變形;(b)長度變形；(c)體積變形；(d)面切變形；(e)剪切變形壓電元件，按其受力和變形方式不同，大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式。6.2壓電式傳感器測量電路6.2.1壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器相當于一個電荷發生器和一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質等效于一種介質，則其電容量為

式中：A——壓電片的面積；

d——壓電片的厚度；

εr——壓電材料的相對介電常數。Ua——電容器上的電壓

q——電荷量Ca——電容量壓電元件的等效電路壓電傳感器在實際測量中，要與放大器及測量電路相連，此時的等效電路Cc——電纜的等效電容Ri——放大器的輸入電阻Ci———輸入電容Ra——壓電傳感器的泄漏電阻電壓源壓電元件電壓放大器電纜電荷壓電元件電荷放大器電纜6.2.2壓電式傳感器的測量電路前置放大器的作用：

（1）阻抗轉換（2）放大1.電壓放大器（阻抗變換器）R=RaRi/(Ra+Ri)C=Cc+Ci

ua=q/Ca電壓放大器電荷放大器壓電元件受力f=Fm

sinωt則式中：

Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca

d——壓電系數。前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓：前置放大器輸入端電壓幅值：輸入電壓與作用力間的相位差：ωR

(Ca+Cc+Ci)>>1時時間常數壓電傳感器有很好的高頻響應2、電荷放大器靈敏度與電纜電容無關上限下限6.3壓電式傳感器的應用6.3.1壓電式測力傳感器壓電式單向測力傳感器主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。

傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1~0.5mm，當外力作用時，它將產生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應，通過d11實現力—電轉換。石英晶片的尺寸為φ8×1mm。該傳感器的測力范圍為0~50N，最小分辨率為0.01N，固有頻率為50~60kHz，整個傳感器重為10g。6.3.2壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內，并由螺栓加以固定。

當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數，即F=ma式中：F——質量塊產生的慣性力；

m——質量塊的質量；

a——加速度。

此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產生電荷q，當傳感器選定后，m為常數，則傳感器輸出電荷為q=d11F=d11ma與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。補充壓電傳感器的應用

一、高分子壓電材料的應用

1.玻璃打碎報警裝置將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統。

粘貼位置高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質量塊

將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10

20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。

使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產生電荷Q

，在兩個輸出引腳之間產生窄脈沖報警信號。壓電傳感器只能應用于動態測量

由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態測量（一般必須高于100Hz，但在50kHz以上時，靈敏度下降）。

2．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）

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統分辨出來。右圖為測量系統的輸出波形。3.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。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