压电式压力传感器解析ppt课件.ppt

3.2 3.2 压电式压力传感器压电式压力传感器一、压电效应一、压电效应二、压电材料二、压电材料三、压电式传感器的测量电路三、压电式传感器的测量电路四、压电式传感器的应用四、压电式传感器的应用1Ø  压压电电式式传传感感器器是是一一种种典典型型的的发发电电型型传传感感器器，，以以电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础，，在在外外力力作作用用下下, ,在在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量Ø 压压电电式式传传感感器器可可以以对对各各种种动动态态力力、、机机械械冲冲击击和和振振动动进进行行测测量量，，在在声声学学、、医医学学、、力力学学、、导导航航方面都得到广泛的应用方面都得到广泛的应用Ø压压电电式式传传感感器器具具有有响响应应频频带带宽宽、、灵灵敏敏度度高高、、信信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点概述概述2   某些电介质（晶体）某些电介质（晶体）Ø 当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；Ø 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； Ø当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；一、压电效应一、压电效应 这种现象称这种现象称正压电效应正压电效应3石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。

荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失4压电元件压电元件机械能电能vv       压电效应是可逆的压电效应是可逆的Ø在在介介质质极极化化的的方方向向施施加加电电场场时时，，电电介介质质会会产产生生形变，将电能转化成机械能，这种现象称形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应逆压电效应”•压电元件可以将机械能压电元件可以将机械能——转化成电能转化成电能Ø 也可以将电能也可以将电能——转化成机械能转化成机械能                    正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应56超声波传感器超声波传感器71 1、石英晶体的压电效应、石英晶体的压电效应ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX石英晶体的理想外形是石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵直的轴来表示，其中纵向轴向轴Z－－Z称为称为光轴光轴；经；经过正六面体棱线，并垂过正六面体棱线，并垂直于光轴的直于光轴的X－－X轴称为轴称为电轴电轴；与；与X－－X轴和轴和Z－－Z轴同时垂直的轴同时垂直的Y－－Y轴轴（垂直于正六面体的棱（垂直于正六面体的棱面）称为面）称为机械轴机械轴。

8(b)(a)++---YXXY硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+ 石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，，是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子Si4+和和氧氧离离子子O2-在在Z平平面面投投影影，，如如图图(a)为为讨讨论论方方便便，，将将这这些些硅硅、、氧氧离离子子等等效效为为图图(b)中中正正六六边边形形排排列列，，图图中中“＋＋”代代表表Si4+，，“－－”代代表表2O2- 9晶晶体体沿沿X X方方向向将将产产生生收收缩缩，，电电偶偶极极矩矩在在X X方向的分量为方向的分量为(P1+P2+P3)X>0(P1+P2+P3) Y=0(P1+P2+P3 ) Z=0即即在在X X轴轴的的正正向向出出现现正正电电荷荷，，在在Y Y、、Z Z轴轴方方向则不出现电荷向则不出现电荷Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－Y+++---X(a) FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b) FX<0+++---P1P2P3(c) FX>0 正正、、负负离离子子（（即即Si4+和和2O2-））正正好好分分布布在在正正六六边边形形顶顶角角上上，，形形成成三三个个互互成成120º º夹夹角角的的偶偶极极矩矩P1、、P2、、P3，，电电偶偶极极矩矩的的矢矢量量和和等于零，即等于零，即 P1＋＋P2＋＋P3＝＝0（（P1+P2+P3））X<0（（P1+P2+P3））Y=0（（P1+P2+P3））Z=0即在即在X X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y Y、、Z Z轴方向轴方向则不出现电荷。

则不出现电荷结论：当晶体受到沿结论：当晶体受到沿X（即电轴）方向的力（即电轴）方向的力FX作用时，它在作用时，它在X方向产生正压电效应，而方向产生正压电效应，而Y、、Z方向则不产生压电效应方向则不产生压电效应 10当晶体在当晶体在Y轴方向力轴方向力FY作用时：作用时：当当FY＞＞0时，晶体的形变与在时，晶体的形变与在X轴方向力轴方向力FX＜＜0 相似；相似；当当FY＜＜0时，则与在时，则与在X轴方向力轴方向力FX ＞＞ 0 相似可见，晶体在可见，晶体在Y Y（即机械轴）方向的力（即机械轴）方向的力F FY Y作用下，使它作用下，使它在在X X方向产生正压电效应，在方向产生正压电效应，在Y Y、、Z Z方向则不产生压电效方向则不产生压电效应如果沿如果沿Z轴方向上施加作用力轴方向上施加作用力FZ，因为晶体沿，因为晶体沿X方向和方向和沿沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零表明：沿表明：沿Z Z（即光轴）方向加作用力（即光轴）方向加作用力F FZ Z晶体不产生压电晶体不产生压电效应。

效应 11压电效应结论压电效应结论①①无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；②②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；向上一定存在逆压电效应；③③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的通常把沿电轴通常把沿电轴X X－－X X方向的力作用下产生电荷的压电效应方向的力作用下产生电荷的压电效应称为称为““纵向压电效应纵向压电效应””，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y Y－－Y Y方向的力作方向的力作用下产生电荷的压电效应称为用下产生电荷的压电效应称为““横向压电效应横向压电效应””，沿光，沿光轴轴Z Z－－Z Z方向受力则不产生压电效应方向受力则不产生压电效应121、种类、种类：：n石英晶体石英晶体：：如石英等；如石英等；n压电陶瓷压电陶瓷：：如钛酸钡、锆钛酸铅等；如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体压电半导体：：如硫化锌、碲化镉等；如硫化锌、碲化镉等；n高分子压电材料：高分子压电材料：聚二氟乙烯等。

聚二氟乙烯等2、、对压电材料特性要求对压电材料特性要求：： ①①转换性能转换性能：：要求具有较大压电常数；要求具有较大压电常数； ②②机机械械性性能能：：机机械械强强度度高高、、刚刚度度大大，，以以期期获获得得宽宽的的线线性性范范围和高的固有振动频率；围和高的固有振动频率；        ③③电电性性能能：：具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，，以以减减弱弱外外部部分分布布电容的影响并获得良好的低频特性；电容的影响并获得良好的低频特性；        ④④环环境境适适应应性性强强：：温温度度和和湿湿度度稳稳定定性性要要好好，，要要求求具具有有较较高的居里点，获得较宽的工作温度范围；高的居里点，获得较宽的工作温度范围； ⑤⑤时间稳定性时间稳定性：：要求压电性能不随时间变化要求压电性能不随时间变化 二、压电材料二、压电材料13（一）（一）  石英晶体石英晶体 石石英英是是一一种种具具有有良良好好压压电电特特性性的的压压电电晶晶体体其其介介电电常常数数和和压压电电系系数数的的温温度度稳稳定定性性好好在在20℃20℃～～200℃200℃范范围围内内，，温温度度每每升升高高1℃1℃，，压压电电系系数数仅仅减减少少0.0160.016％％。

但但是是当当到到573℃573℃时，压电特性完全失去，这就是它的时，压电特性完全失去，这就是它的居里点居里点 石石英英晶晶体体的的突突出出优优点点是是性性能能非非常常稳稳定定，，机机械械强强度度高高，，绝绝缘缘性性能能好好但但价价格格昂昂贵贵，，且且压压电电系系数数低低因因此此一一般般仅仅用用于于标标准准仪仪器器或或要要求求较较高的传感器中高的传感器中14（二）（二）   压电陶瓷压电陶瓷        1 1、、  钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷        钛钛酸酸钡钡（（BaTiO3））是是由由碳碳酸酸钡钡（（BaCO3））和和二二氧氧化化钛（钛（TiO2）按）按1：：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷分子比例在高温下合成的压电陶瓷        它它具具有有很很高高的的介介电电常常数数和和较较大大的的压压电电系系数数（（约约为为石石英英晶晶体体的的50倍倍））不不足足之之处处是是居居里里温温度度低低（（120℃）），，温度稳定性和机械强度不如石英晶体温度稳定性和机械强度不如石英晶体2 2、、  锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）） 锆锆 钛钛 酸酸 铅铅 是是 由由 PbTiO3和和 PbZrO3组组 成成 的的 固固 溶溶 体体Pb（（Zr、、Ti））O3。

它它与与钛钛酸酸钡钡相相比比，，压压电电系系数数更更大大，，居居里里温温度度在在300℃℃以以上上，，各各项项机机电电参参数数受受温温度度影影响响小小，，时时间间稳稳定定性性好好此此外外，，在在锆锆钛钛酸酸中中添添加加一一种种或或两两种种其其它它微微量量元元素素（（如如铌铌、、锑锑、、锡锡、、锰锰、、钨钨等等））还还可可以以获获得得不不同同性性能能的的PZT材材料料因因此此锆锆钛钛酸酸铅铅系系压压电电陶陶瓷瓷是是目目前前压压电电式式传感器中应用最广泛的压电材料传感器中应用最广泛的压电材料        15（（三三）） 、、压电半导体压电半导体 1968年年出出现现了了多多种种压压电电半半导导体体材材料料，，如如硫硫化化锌锌、、碲碲化镉、氧化锌、硫化镉、碲化锌和砷化镓等化镉、氧化锌、硫化镉、碲化锌和砷化镓等特特点点：：既既有有压压电电特特性性，，又又有有半半导导体体性性质质，，因因此此，，可可研研制制压压电电传传感感器器，，也也可可制制作作半半导导体体电电子子器器件件，，还还可可将将二二者者结结合合，，研研制制新新型型集集成成压压电电传传感感器器这这种种力力敏敏器器件件具具有有灵灵敏敏度度高高，，响响应应时时间间短短等等优优点点。

此此外外用用ZnO作作为为表表面面声声波波振振荡器的压电材料，还可测温度等参数荡器的压电材料，还可测温度等参数四）、高分子压电材料（四）、高分子压电材料高分子压电薄膜：高分子压电薄膜：是某些高分子聚合物经延展和拉伸以是某些高分子聚合物经延展和拉伸以及电场极化后具有压电性能的材料，如聚二氟乙烯及电场极化后具有压电性能的材料，如聚二氟乙烯优点：耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽优点：耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽高分子压电陶瓷薄膜：高分子压电陶瓷薄膜：是在高分子化合物中加入压电陶是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末制成的，这种复合材料保持了高分子压电陶瓷薄瓷粉末制成的，这种复合材料保持了高分子压电陶瓷薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数膜的柔软性，又具有较高的压电系数 16（一）（一）等效电路等效电路 当当压压电电传传感感器器中中的的压压电电晶晶体体承承受受被被测测机机械械应应力力的的作作用用时时，，在在它它的的两两个个极极面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个静静电电发发生生器器，，也也可可把把它它视视为为两两极极板板上上聚聚集集异异性性电电荷荷，，中中间间为为绝绝缘缘体体的的电电容容器器，，其其电容量为电容量为 ＋＋＋＋ ―――― 电极压电晶体Ca(b)(a) 压电传感器的等效电路当两极板聚集异性电荷当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定时，则两极板呈现一定的电压，其大小为的电压，其大小为三、压电式传感器的测量电路三、压电式传感器的测量电路17ØØ   压电元件电荷压电元件电荷压电元件电荷压电元件电荷Q Q Q Q的开路电压的开路电压的开路电压的开路电压U U U U可等效为电源与电容串联可等效为电源与电容串联可等效为电源与电容串联可等效为电源与电容串联Ø或等效为一个电荷源或等效为一个电荷源或等效为一个电荷源或等效为一个电荷源Q Q Q Q和电容和电容和电容和电容CaCaCaCa并联。

并联       等效电容等效电容等效电容等效电容qCaUaUa＝q/ Caq ＝UaCaCa（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路压电传感器等效电路18qCaUaUa＝q/ Caq ＝UaCaCa（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路压电传感器等效电路压电传感器等效电路压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 压电式传感器不适合于静态参数测量压电式传感器不适合于静态参数测量 Ca传感器的固有电容传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻19压电传感器只能应用于动态测量压电传感器只能应用于动态测量         由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器器不能用于静态测量不能用于静态测量压电元件在交变力的作用下，压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（在故只适用于动态测量（在50kHz以上时，灵敏度下降）。

以上时，灵敏度下降） §7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用20压电元件的连接•压电元件的连接21       单单片片压压电电元元件件产产生生的的电电荷荷量量甚甚微微，，为为了了提提高高压压电电传传感感器器的的输输出出灵灵敏敏度度，， 在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起 　　　　从从作作用用力力看看，，元元件件是是串串接接的的，，因因而而每每片片受受到到的的作作用用力力相相同同，，产产生生的的变变形和电荷数量大小都与单片时相同形和电荷数量大小都与单片时相同 　　　　图图a））从从电电路路上上看看，，这这是是并并联联接接法法，， 类类似似两两个个电电容容的的并并联联所所以以，，外外力力作作用用下下正正负负电电极极上上的的电电荷荷量量增增加加了了1 1倍倍，，电电容容量量也也增增加加了了1 1倍倍，，输输出电压与单片时相同出电压与单片时相同　　　　图图b））从从电电路路上上看看是是串串联联的的，，两两压压电电片片中中间间粘粘接接处处正正负负电电荷荷中中和和，，上上、、 下下极极板板的的电电荷荷量量与与单单片片时时相相同同，，总总电电容容量量为为单单片片的的一一半半，，输输出出电电压增大了压增大了1 1倍。

倍 22超声波探伤传感器医学超声波检测 超声波测液位 23各种超声波测厚传感器超声波测流量 超声波频谱分析 24各种超声波传感器 产品超声波传感器结构超声波传感器结构25点火器晶体261. 高分子压电材料的应用高分子压电材料的应用1) 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置        将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统中报警系统粘贴位置§7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用272．压电式周界报警系统．压电式周界报警系统 将长的压电电缆埋将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行，米范围内探测人的步行，对轮式或履带式车辆也对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统可以通过信号处理系统分辨出来右图为测量分辨出来右图为测量系统的输出波形系统的输出波形 (用于重要位置出入口、周界安全防护等用于重要位置出入口、周界安全防护等) )§7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用283. 交通监测交通监测         将高分子压电电将高分子压电电缆埋在公路上，可以缆埋在公路上，可以获取车型分类信息获取车型分类信息（包括轴数、轴距、（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数车区域监控、交通数据信息采集（道路监据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。

控）及机场滑行道等§7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用29压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量力的测量 §7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用30压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用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压电式步态分析跑台析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量双压电传感器测量双腿跳的动态力腿跳的动态力§7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用314. 在振动测量中应用在振动测量中应用 1) 振动的基本概念振动的基本概念        振振动动可可分分为为机机械械振振动动、、土土木木结结构构振振动动、、运运输输工工具具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等振动、武器、爆炸引起的冲击振动等        从从振振动动的的频频率率范范围围来来分分，，有有高高频频振振动动、、低低频频振振动动和超低频振动等和超低频振动等        从从振振动动信信号号的的统统计计特特征征来来看看，，可可将将振振动动分分为为周周期期振动、非周期振动以及随机振动等振动、非周期振动以及随机振动等。

 §7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用32地地震震的的巨巨大大威威力力§7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用33南海南海Ms7.2地震波形记录图地震波形记录图§7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用343) 压电式振动加速度传感器结构及外形压电式振动加速度传感器结构及外形 横向振动测振器横向振动测振器纵向振动测振器纵向振动测振器§7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用354 4 4 4火炮堂内压力测试火炮堂内压力测试火炮堂内压力测试火炮堂内压力测试 发射药在堂内发射药在堂内发射药在堂内发射药在堂内燃烧形成压力燃烧形成压力燃烧形成压力燃烧形成压力完成炮弹的发射完成炮弹的发射完成炮弹的发射完成炮弹的发射堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系36事故性碰撞：事故性碰撞：事故性碰撞：事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、点火信号、电点火管、气体发生剂、 气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体5 5：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统     37指套式电子血压计指套式电子血压计指套式电子血压计指套式电子血压计 6 6 6 6压电式血压传感器压电式血压传感器压电式血压传感器压电式血压传感器 387 7 7 7水深测量仪水深测量仪水深测量仪水深测量仪 39。