压电式传感器

压电式传感器论文班级：10233姓名：周经纬学号：1023324专业：机电一体化压电式传感器一、压电效应某些电介质在沿一定方向上收到外力的作用而形变时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带点的状态，这种现象称为压电效应。

在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比，即式中Q=dFx式中d——压电场数。

正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。

当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。

逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。

自然界中与压电效应有关的现象很多。

例如在敦煌的鸣沙丘，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。

产生这个现象的原因是无数干燥的沙子在重压引起振动，表面产生电荷，在某时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。

在电子打火机中，雅典材料受到敲击，产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃火焰。

二、压电材料压电式传感器中的压电元件一般有三类：一类是压电晶体（单晶体）；另一类的hi经过极化处理的压电陶瓷（多晶体）；第三类是高分子压电材料。

（一）石英晶体石英晶体是一种良好的压电晶体，它的优点是性能非常稳定。

它具有自振频率高、动态响应好机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。

石英晶体不足之处就是压电常数小。

因此石英晶体大多只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。

（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体点材料，它由无数细微的电畴组成。

这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。

在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被互相抵消了，因此原始的电压陶瓷呈中性，不具有电压性质。

为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。

极化处理之后，陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化度，当压电陶瓷受外力作用时。

表面也能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。

它比石英晶体的压电系数高得多。

而制造成本却很低，因此目前国内外生产的压电元件大多数都采用压电陶瓷。

（三）对压电材料特性要求：①转换性能。

要求具有较大压电常数。

②机械性能。

压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。

③电性能。

希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。

④环境适应性强。

温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。

⑤时间稳定性。

要求压电性能不随时间变化。

三、压电式传感器的测量转换电路（一）等效电路当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。

可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a )。

也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。

压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，就产生电荷，因此他相当于一个电荷发生器，当电压元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为介质的电容器，两极板间的电容为——压电元件电极面面积;——压电元件厚度；——压电材料的相对介电常数；——真空的介电常数。

＋＋＋＋ ――――qq 电极压电晶体C a (b ) (a )当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。

故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。

当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca 的串联电路，如图。

(a )qC a实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC 、前置放大器的输入电阻Ri 、输入电容Ci 对电路的影响就必须一起考虑进去。

当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra 以后，压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示的电压等效电路（a ）和电荷等效电路（b ）。

这两种等效电路是完全等效的。

注意：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。

而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路(b )U a C a一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。

（二）测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：◆把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；◆放大压电式传感器输出的弱信号。

前置放大器形式：◆电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；◆电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。

1、电荷放大器压电式传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。

根据压电式传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电信号也可以是电压信号，因此与之相配的前置放大器有电压前置放大器和电荷放大器两种形式。

因此电压传感器的内阻抗极高，因此它需要与高输入阻抗的前置放大器配合。

如果使用电压放大器输入电压会导致电压放大器的输入电压与屏蔽电缆的分布电容有关，它们均是变数，会影响到测量结果，故目前多采用性能稳定的电荷放大器。

电荷放大器等效电路在电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容C f 和高增益运算放大器构成。

由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去R a 和Ri 并联电阻。

式中 ： u o ——放大器输出电压；ucf ——反馈电容两端电压。

可见，电荷放大器的输出电压u o 只取决于输入电荷与反馈电容C f ，与电缆电容C c 无关，且与q 成正比，这是电荷放大器的最大特点。

为了得到必要的测量精度，要求反馈电容C f 的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，C f 的容量做成可选择的，范围一般为100~104pFfd o C q u u -=≈压电传感器的特点：能量转换型（发电型）传感器。

体积小，重量轻，刚性好，可提高其固有频体积小。

灵敏度高，稳定性好，可靠。

对应用纵向电压效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，灵敏度与传感器有关。

有比较理想的线性，且通常没有滞后现象。

应有：压电传感器可以直接用于测力或测量与力有关的压力、位移、振动加速度等。

四、压电式传感器的应用压电传感器主要用于脉动力、冲击力、振动等动态参数的测量。

由于压电材料可以是石英晶体、压电陶瓷和高分子压电材料等，它们的特性不尽相同，所以用途也不一样。

石英晶体主要用于精密测量，多作为实验室基准传感器；压电陶瓷灵敏度较高，机械强度稍低，多作用测力和振动传感器；而高分子压电材料多作用定性测量。

（一）压电式测力传感器图6-11是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。

图6-11 压力式单向测力传感器结构图传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1~0.5mm ，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。

石英晶片采用xy 切型， 利用其纵向压电效应， 通过d 11实现力—电转换。

（二） 压电式加速度传感器图6-12 压电式加速度传感器结构图图6-12是一种压电式加速度传感器的结构图。

它主要由压电元件、簧件外质质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。

整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。

当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F=ma式中：F——质量块产生的惯性力；m——质量块的质量；a——加速度。

此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为q=d11F=d11ma与加速度a成正比。

因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。

（三）压电式玻璃破碎报警器BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。

传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。

BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。

传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V，内阻抗为15~20 kΩ。

图6-14 BS-D2压电式玻璃破碎传感（a）外形; （b）内部电路报警器的电路框图如图6-15所示。

使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。

为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。

由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。

只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。

玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台。