壓電式傳感器電子工藝第1頁，課件共30頁，創作于2023年2月一.壓電式傳感器是以某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質的表面上產生電荷，從而實現非電量測量。是一種典型的有源傳感器*特點:

工作頻帶寬，靈敏度高，結構簡單，體積小，重量輕，工作可靠。

*應用范圍：

各種動態力、機械沖擊、振動測量、生物醫學、超聲、通信、宇航等領域。

第2頁，課件共30頁，創作于2023年2月1.1、壓電式傳感器的應用

1壓電式腳踏報警器

第3頁，課件共30頁，創作于2023年2月2.玻璃打碎報警裝置

粘貼位置將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。第4頁，課件共30頁，創作于2023年2月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。第5頁，課件共30頁，創作于2023年2月4.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

第6頁，課件共30頁，創作于2023年2月5.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第7頁，課件共30頁，創作于2023年2月1.2.總結分析、壓電傳感器的工作原理熱電偶的原理：熱電效應熱能電能壓電式傳感器的原理：正壓電效應機械能電能第8頁，課件共30頁，創作于2023年2月二.壓電效應正壓電效應：當壓電材料受到一定方向作用力時而發生機械變形，相應的在一定表面上產生電荷，電荷量Q與所施加的力F成正比，這種現象稱為壓電效應。（壓電式傳感器）逆壓電效應：當壓電材料處于變化的電場中時，壓電材料的體積將產生伸長或縮短的變化，稱作逆壓電效應(壓電式喇叭）第9頁，課件共30頁，創作于2023年2月壓電效應演示當力的方向改變時，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。第10頁，課件共30頁，創作于2023年2月2.1、常用的壓電材料及壓電材料的壓電效應壓電材料壓電陶瓷：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛天然：石英晶體人造壓電材料：高分子壓電材料:聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等第11頁，課件共30頁，創作于2023年2月天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形第12頁，課件共30頁，創作于2023年2月天然形成的石英晶體外形（續）

第13頁，課件共30頁，創作于2023年2月二.壓電效應2.2石英晶體的壓電效應天然結構石英晶體的理想外形是一個正六面體ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZYX在晶體學中它可用三根互相垂直的軸表示，Z軸稱為光軸；X軸稱為電軸；Y軸稱為機械軸。縱向壓電效應：X軸橫向壓電效應：Y軸沿光軸Z－Z方向受力則不產生壓電效應。第14頁，課件共30頁，創作于2023年2月石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝第15頁，課件共30頁，創作于2023年2月2.2石英晶體的壓電效應（1）.定性分析圖3-13垂直x軸的石英切片及其壓電效應第16頁，課件共30頁，創作于2023年2月

從晶體上沿軸線切下的薄片稱為“晶體切片”。圖3-13所示是垂直于電軸Ｘ切割的石英片，在與Ｘ軸垂直的兩面覆以金屬。沿Ｘ方向施加作用力Ｆx時，在與電軸X垂直的表面上產生電荷Ｑxx為：

式中d11—石英晶體的縱向壓電系數在覆以金屬極面間產生的電壓為：

定量計算：第17頁，課件共30頁，創作于2023年2月

如果在同一切片上，沿機械軸Y方向施加作用力Fy時，則在與X軸垂直的平面上產生電荷為：

式中d12—石英晶體的橫向壓電系數。根據石英晶體的軸對稱條件可得d12=-d11,所以

產生電壓為：

第18頁，課件共30頁，創作于2023年2月2.3

壓電陶瓷的壓電效應

壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

經極化處理的壓電陶瓷具有非常高的壓電系數，約為石英晶體的幾百倍，但機械強度較石英晶體差。

第19頁，課件共30頁，創作于2023年2月

a—Z向施力；b—X向施力

圖3-14壓電陶瓷的壓電效應

2.3

壓電陶瓷的壓電效應第20頁，課件共30頁，創作于2023年2月則在兩個鍍銀（或金）的極化面上分別出現正負電荷，電荷量Qzz與力Fz成比例，即

:

式中dzz—壓電陶瓷的縱向壓電系數。輸出電壓為:

2.3

壓電陶瓷的壓電效應第21頁，課件共30頁，創作于2023年2月當沿X軸方向施加作用力Fx時，如圖所示，在鍍銀極化面上產生電荷Qzx為:

同理

2.3

壓電陶瓷的壓電效應式中的dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時的壓電系數，且均為負值；且dz1=dz2電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出。第22頁，課件共30頁，創作于2023年2月三、壓電元件的等效電路當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個電荷發生器即電荷源電荷源等效電路：可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯電路，如圖（a）電壓源等效電路：壓電傳感器也可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯電路，如圖(b)；qq＝UaCaCa（a）電荷源等效電路CaUaUa＝q/Ca（b）電壓源等效電路第23頁，課件共30頁，創作于2023年2月如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci前置放大器輸入電容Cc連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻三、壓電元件的等效電路實際等效電路第24頁，課件共30頁，創作于2023年2月補充：電容的串并聯以兩個電容串并聯為例，考察串并聯后，總的電容容抗、總電壓、總電荷容量總容抗：C=C1+C2總電量：Q=Q1+Q2總電壓：U=U1=U2并聯：串聯：總容抗：總電量：Q=Q1=Q2總電壓：U=U1+U2因此為了增大輸出，在使用過程中壓電元件通常用多個元件串聯或者是并聯使用。三、壓電元件的等效電路第25頁，課件共30頁，創作于2023年2月思考：壓電晶體是否適合于靜態測量。為什么？當傳感器內部信號電荷無“漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數按指數規律放電。這對于靜態標定以及低頻準靜態測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，傳感器內部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態測量。第26頁，課件共30頁，創作于2023年2月四、壓電傳感器測量電路壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器。

壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的弱信號。前置放大器形式：電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。第27頁，課件共30頁，創作于2023年2月四.壓電傳感器測量電路

(a)放大器電路；(b)輸入端簡化等效電路

圖3-18電壓放大器電路原理及其等效電路圖

①電壓放大器（阻抗變換器）第28頁，課件共30頁，創作于2023年2月注意：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。四.壓電傳感器測量電路②電荷放大器