機械工業出版社

中等職業教育電氣類規劃教材

《自動檢測與轉換技術》

第六章

壓電傳感器

2014－10－17

2/3/20231第一節壓電傳感器的工作原理壓電式傳感器是一種自發電式傳感器。它以某些電介質的壓電效應為基礎，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。壓電式傳感器主要用途：壓電傳感元件是力敏感元件，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、振動加速度等，但不能用于靜態參數（例如重量）的測量。

2/3/20232我們先來看一個實驗。在完全黑暗的環境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發出暗淡的藍色閃光，這是強電場放電所產生的閃光，產生閃光的機理是晶體的壓電效應小實驗2/3/20233一、壓電效應天然結構的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當晶體薄片受到壓力時，晶格產生變形，表面產生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現象稱為：“壓電效應”Q=dF2/3/20234某些電介質（晶體）當沿著一定方向施加力變形時，內部產生極化現象，同時在它表面會產生符號相反的電荷當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態當作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變這種現象稱壓電效應2/3/20235自然界中與壓電效應有關的現象很多，例如在敦煌的鳴沙丘上，當許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙丘上往下滑時，可以聽到雷鳴般的隆隆聲。產生這個現象的原因是無數干燥的沙子（SiO2晶體）在振動壓力下，表面產生電荷，在某些時刻，恰好形成電壓串聯，產生很高的電壓，并通過空氣放電而發出聲音。在電子打火機中，多片串聯的壓電材料受到敲擊，產生很高的電壓，通過尖端放電，而點燃。與此相反，在音樂賀卡中是利用集成電路的輸出脈沖電壓，來激勵壓電片，利用逆壓電效應產生振動而發聲的。小知識2/3/20236清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙的“雷送余音聲裊裊，風生細響語喁喁”。——鳴沙山上的逆壓電效應2/3/20237壓電效應是可逆的在介質極化的方向施加電場時，電介質會產生形變，將電能轉化成機械能，這種現象稱“逆壓電效應”。壓電元件可以將機械能轉化成電能也可以將電能轉化成機械能壓電元件機械能電能2/3/20238壓電材料的主要特性參數有

壓電常數：壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數，直接關系到壓電輸出靈敏度彈性常數：壓電材料的彈性常數、剛度決定壓電器件的固有頻率和動態特性介電常數：壓電元件的固有電容與介電常數有關，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限機械耦合系數：轉換輸出能量與輸入能量之比的平方根，是衡量壓電材料機電能量轉換效率的重要參數電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄露，從而改善壓電傳感器的低頻特性居里點溫度：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度2/3/20239二、壓電材料的分類及特性

壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。2/3/202310（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形2/3/202311天然形成的石英晶體外形（續）

2/3/202312石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2/3/202313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2/3/202314石英晶體大多只在標準傳感器，高準確度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用，而在一般要求的測量中，基本上采用壓電陶瓷。2/3/202315（二）壓電陶瓷壓電陶瓷利用其材料在機械應力作用下，引起內部正負電荷中心相對位移而發生極化，導致材料兩端表面出現符號相反的束縛電荷即壓電效應而制作壓電陶瓷主要用于制造超聲換能器、水聲換能器、電聲換能器、陶瓷濾波器、陶瓷變壓器、陶瓷鑒頻器、高壓發生器、紅外探測器、聲表面波器件、電光器件、引燃引爆裝置和壓電陀螺等，除了用于高科技領域，它更多的是在日常生活中為人們服務，為人們創造更美好的生活而努力2/3/202316壓電陶瓷的壓電機理與壓電晶體不同人工制造的多晶體壓電材料，材料的內部晶粒有許多自發極化的電疇，他有一定的極化方向無電場作用時，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消，呈中性2/3/202317壓電陶瓷的壓電效應施加外電場時，電疇的極化方向發生轉動，趨向外電場方向排列。外電場強度達到飽和程度時，所有的電疇與外電場一致。外電場去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時是非壓電體2/3/2023182/3/202319壓電陶瓷片內束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符號相反而數值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外的作用，因此陶瓷片對外不表現極性2/3/202320晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時，引起剩余極化強度變化，在極化面上產生電荷，電荷量的大小與外力成正比關系電荷密度：d33——壓電陶瓷的縱向壓電常數，d33比d11、d12大的多，壓電陶瓷制作傳感器靈敏度比壓電晶體高2/3/202321壓電陶瓷外形

2/3/202322無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2/3/202323高分子壓電薄膜及拉制

2/3/202324（三）高分子壓電材料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。2/3/202325高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2/3/202326可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

2/3/202327壓電式腳踏報警器

2/3/202328高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應）2/3/202329第二節壓電傳感器的測量轉換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關，電纜長度等因素的影響很小：電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉換為電壓（Q/U轉換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習慣叫法。2/3/202330便攜式測振儀外形1－量程選擇開關SC2－壓電傳感器輸入信號插座

3－多路選擇開關

4－帶寬選擇開關SR5－帶背光點陣液晶顯示器6－電池盒7－可變角度支架2/3/202331顯示波形的演示（振動的時域/頻域圖形）

（東方研究所資料）不同頻率的正弦波頻譜變化2/3/202332上圖所示的四通道電荷放大器指標（參考東方振動和噪聲技術研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計算機或手動焊接式電荷放大器2/3/202333超小型電荷放大器模塊

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V

特點：可組成經濟的多點測試系統主要指標:2/3/202334其他電荷放大器外形面板式電荷放大器2/3/202335多通道電荷放大器外形2/3/202336第三節壓電傳感器的應用

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2/3/202337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1020mm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。2/3/202338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，因此壓電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，所以壓電傳感器只適用于動態測量。動態頻率必須高于100Hz，但在30kHz以上時，靈敏度急劇下降。小貼士2/3/202339

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。2/3/2023403.交通監測

（包括軸數、軸距、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。將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息：2/3/202341高分子壓電電纜的應用演示2/3/202342二、壓電陶瓷傳感器的應用

壓電片的并聯接法

壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常是兩片（或兩片以上）粘結在一起，一般常用的是并聯接法。其總面積是單片的兩倍，極板上的總電荷Q并為單片電荷Q的兩倍。

2/3/202343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

一體化車刀動態力測量2/3/202344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分析跑臺壓電式縱跳訓練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態力2/3/202345第四節振動的測量

物體圍繞平衡位置作往復運動稱為振動。從振動對象來分，有機械振動（例如機床、電機、泵、風機等運行時的振動）；土木結構振動（房屋、橋梁等的振動）；運輸工具振動（汽車、飛機等的振動）以及武器、爆炸引起的沖擊振動等。從振動的頻率范圍來分，有高頻振動、低頻振動和超低頻振動等。頻率是分析振動的最重要內容之一。振動物體偏離平衡位置的最大距離稱為振幅，用x表示，單位為mm；振動的速度用v表示，單位為m/s；加速度用a表示，單位為m/s2或g。知識沙龍2/3/202346地震的巨大威力2/3/202347地震波形2/3/202348二、測振傳感器分類

測振用的傳感器又稱拾振器，它有接觸式和非接觸式之分。接觸式中有磁電式、電感式、壓電式等；非接觸式中又有電渦流式、電容式、霍爾式、光電式等。下面介紹壓電式測振傳感器及其應用。2/3/202349三、壓電式振動加速度傳感器的結構及外形

橫向振動測振器縱向振動測振器2/3/202350四、壓電振動加速度傳感器的性能指標（以某小型“內裝IC的壓電加速度傳感器”為例）

技術指標：

靈敏度：500mV/g

量程：10g

頻率范圍：4-4000Hz

安裝諧振點:15kHz

分辨力：0.00004g

重量：40g

安裝螺紋：M5mm

線性：≤1%2/3/202351如何選擇壓電傳感器靈敏度低的傳感器可用于動態范圍很寬的振動測量，例如打樁機的沖擊振動、汽車的撞擊試驗、炸彈的貫穿延時引爆等。而高靈敏度的壓電傳感器可用于測量微弱的振動。例如用于尋找地下管道的泄漏點（水管漏水處可發出幾千赫的特殊振動），或測量