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1、2023/6/18,1,第8章压电式传感器及应用,2,引言,压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。,3,主要章节,8.1压电效应及压电材料 8.2压电式传感器测量电路 8.3压电式传感器的应用,4,8.1压电效应及压电材料,1压电效应的概念 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当
2、外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。,8.1.1 压电效应,5,压电效应可逆性,6,2.压电效应原理,具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和z轴。z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。,7,石英晶体及切片,8,石英晶体的压电效
3、应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可说明。石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成队出现的）。沿光轴看去，可以等效地认为正六边形排列结构。,9,石英晶体的压电效应机理,1正电荷等效中心 2负电荷等效中心,10,分析说明,（1）在无外力作用时（2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压力时，晶格产生变形（3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到压力时，也会产生晶格变形（4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。,11,结论,沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶
4、体切面的几何尺寸有关，式中的负号说明沿机械轴的压力引起的电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。,12,8.1.2 压电材料,（1）压电常数（2）弹性常数（3）介电常数（4）机械耦合系数（5）绝缘电阻（6）居里点,1压电材料的主要特性参数,13,2.常用压电材料,石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有3类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。,14,石英晶体,天然形成的石英晶体外形,15,天然形成的石英晶体外形（续）,16,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,17,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电
5、路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,18,压电陶瓷外形,19,高分子压电薄膜及拉制,20,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,21,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,22,压电式脚踏报警器,23,8.2压电式传感器测量电路,将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质，因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，其电容值为Ca=R0A/,8.2.1 压电式传感器的等效电路,24,压电元件的等效电路,压电元件等效为一个与电容相
6、并联的电荷源，也可以等效为一个与电容相串联的电压源，,25,压电元件实际的等效电路图,压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。,26,8.2.2 压电式传感器测量电路,压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误差减少。压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。,27,输出信号,根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号，也可以是电压
7、信号，因此与之配套的前置放大器也有电荷放大器和电压放大器两种形式。由于电压前置放大器的输出电压与电缆电容有关，故目前多采用电荷放大器。,28,1.电荷放大器,并联输出型压电元件可以等效为电荷源。电荷放大器实际上是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器电路,电荷放大器原理图,29,结论,电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可以忽略不计。,30,2.电压放大器（阻抗变换器）,串联输出型压电元件可以等效为电压源，但由于压电效应引起的电容量很小，因而其电压源等效内阻很大，在接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗,31,
8、8.3压电式传感器的应用,在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。,8.3.1 压电传感器的基本结构,32,压电元件的串联和并联接法,33,压电晶片并联可以增大输出电荷，提高灵敏度。具体使用时，两片晶片上必须有一定的预紧力，以保证压电元件在工作时始终受到压力，同时可以消除两压电晶片之间因接触不良而引起的非线性误差
9、，保证输出与输入作用力之间的线性关系。但是这个预紧力不能太大，否则将影响其灵敏度。,34,压电片的并联连接电路图,35,8.3.2 压电传感器的应用,压电式传感器主要用于动态作用力、压力、加速度的测量。,36,1.压电式力传感器,压电式力传感器是以压电元件为转换元件，输出电荷与作用力成正比的力电转换装置。常用的形式为荷重垫圈式，它由基座、盖板、石英晶片、电极以及引出插座等组成,37,YDS-78型压电式单向动态力传感器,变化频率不太高的动态力的测量。测力范围达几十kN以上，非线性误差小于1%，固有频率可达数十千赫。,38,2.压电式加速度传感器,由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。
10、整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定,39,压电式加速度传感器,惯性力是加速度的函数，惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷Q，当传感器选定后，传感器输出电荷与加速度a成正比,40,3声振动报警器,41,当HTD未接收到声振动信号时，电路处于守候状态，场效应管VT1截止。此时C3经R4充电为高电平，故IC1的脚输出低电平，IC2报警音乐电路不会工作；当HTD接收到声振动信号后，将转换的电信号加到VT1栅极，经放大后加到IC1的脚（经电容器C1），使IC1的状态翻转，脚输出高电平加到IC2上，IC2被触发从而驱动扬声器发出音乐声。经过2min左右，由于电容C3的充电使IC1的脚为高电平，电路翻转
11、，脚输出低电平，IC2报警电路随之停止报警。但若HTD有连续不断的触发信号，则报警声会连续不断，直到HTD无振动信号2min后，报警声才会停止。,42,玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,43,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,44,交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停
12、车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,45,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,46,本章小结,某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微
13、弱。应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类：石英晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。,47,压电式传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此其一般不能直接显示和记录。所以，压电式传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，以防止电荷迅速泄漏而使测量误差增大。压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，所以前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种，串联接法输出电压高，本身电容小；并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。一般采用并联接法。,48,休息一下！,
