2 检测技术与检测元件 12.检测技术与检测元件第5节 压电式检测元件2 检测技术与检测元件 2基本要求基本要求1.1.掌握压电式检测元件的工作原理、等效电路掌握压电式检测元件的工作原理、等效电路及测量电路及测量电路 2.2.掌握压电元件常用结构形式掌握压电元件常用结构形式3.3.了解压电式传感器的结构了解压电式传感器的结构*2 检测技术与检测元件 3力敏感传感器，可测如力、压力、加速度力敏感传感器，可测如力、压力、加速度等等双向传感器双向传感器体积小、重量轻体积小、重量轻结构简单、工作可靠结构简单、工作可靠频响宽频响宽最常用的压电材料是石英晶体和压电陶瓷最常用的压电材料是石英晶体和压电陶瓷压电式检测元件概述压电式检测元件概述*2 检测技术与检测元件 4 各种小巧的压力传感器各种小巧的压力传感器 压电传感器的外形压电传感器的外形 压力变送器部件压力变送器部件 压力变送器压力变送器*2 检测技术与检测元件 5压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电秤重浮游计压电加速度计压电加速度计 压电警号压电警号*2 检测技术与检测元件 6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；压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。快泄漏、消失。2.6.1压电效应与压电材料压电效应与压电材料*2 检测技术与检测元件 71、顺压电效应：、顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应顺压电效应或或正压电效应正压电效应，又称为，又称为压电效应压电效应。2、逆压电效应：、逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称应力，这种将电能转换成机械能的现象称逆压电效逆压电效应应, ,又称为又称为电致伸缩效应电致伸缩效应。F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性*2 检测技术与检测元件 8(1)天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形3.3.石英晶体石英晶体*2 检测技术与检测元件 9*2 检测技术与检测元件 10天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）*2 检测技术与检测元件 11外形规则，外形规则，是一个是一个正六面体正六面体石英晶体是石英晶体是各向异各向异性晶体性晶体在直角坐标系中，在直角坐标系中，它有三个轴。它有三个轴。xyz*2 检测技术与检测元件 12(2)石英晶体石英晶体的的三个晶轴三个晶轴光学轴（基准轴，光学轴（基准轴，Z轴）轴）：光沿该方向通过没有折射：光沿该方向通过没有折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。机械轴（机械轴（Y轴）轴）：垂直：垂直xz面，在电场作用下，该轴方面，在电场作用下，该轴方向的向的机械变形最明显机械变形最明显。电轴（电轴（X轴）轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强压电效应最强。通常把沿电轴通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵纵向压电效应向压电效应”,把沿机械轴把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效方向的力作用下产生电荷的压电效应称为应称为“横向压电效应横向压电效应”。而沿光轴而沿光轴z方向受力时不产生压电效方向受力时不产生压电效应。应。*2 检测技术与检测元件 13石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体压电晶体切片，切片，使它的晶面分别平行于使它的晶面分别平行于X X、Y Y、Z Z 轴，如图轴，如图。*2 检测技术与检测元件 14*2 检测技术与检测元件 15 当晶片在沿当晶片在沿X轴的方向上受到的方向上受到压缩应力力s sxx的作用的作用时，晶片将晶片将产生厚度生厚度变形，并形，并发生生极化极化现象象。 在晶体的在晶体的线性性弹性范性范围内，极化内，极化强强度度Pxx与与应力力s sxx 成正比，即成正比，即FX沿沿X轴方向施加的力轴方向施加的力 d11压电系数，当受力方向和压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同；变形不同时，压电系数也不同；a、c石英晶片的长度和宽度石英晶片的长度和宽度*2 检测技术与检测元件 16结论：结论：当晶片受到当晶片受到X向的压力向的压力作用时，作用时，Qxx与作用力与作用力Fx成正比，成正比，而与晶片的几何尺寸无关。而与晶片的几何尺寸无关。极化强度极化强度Pxx在数值上等于晶面上的电荷密度，即在数值上等于晶面上的电荷密度，即式中式中Qxx垂直于垂直于X轴平面上的电荷。轴平面上的电荷。*2 检测技术与检测元件 18在在X轴方向施加轴方向施加压力压力时，左旋石英晶体的时，左旋石英晶体的X轴正向带轴正向带正电；如果作用力正电；如果作用力FX改为改为拉力拉力，则在垂直于，则在垂直于X轴的平轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。FXFX+(a)(b)XX*2 检测技术与检测元件 19 如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、）、（d），此时电荷的大小为），此时电荷的大小为+ + + + + + + (c)(d)FYFYXX式中式中d12石英晶体在石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。轴方向受力时的压电系数。根据石英晶体轴对称条件：根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，则上式为，则上式为式中式中b晶片厚度。晶片厚度。*2 检测技术与检测元件 20极间电压极间电压 结论：结论：1.沿沿Y轴的方向施加作用力产生的电荷与沿轴的方向施加作用力产生的电荷与沿X轴施轴施加作用力所产生的电荷极性相反。加作用力所产生的电荷极性相反。(负号负号)2.2.沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的电荷电荷量与晶片的几何尺寸有关量与晶片的几何尺寸有关。*2 检测技术与检测元件 21FXFX+(a)(b)XX+ (c)(d)FYFYXX*变形一致，电荷极性就一致！变形一致，电荷极性就一致！2 检测技术与检测元件 22压电效应压电效应厚度受压型长度受压型*2 检测技术与检测元件 压电特性与晶体内部结构变化压电特性与晶体内部结构变化如果对石英晶体各个方向施加相等的作用力时，晶体表面如果对石英晶体各个方向施加相等的作用力时，晶体表面有电荷产生吗有电荷产生吗?沿沿z轴方向施加作用力时有电荷产生吗？轴方向施加作用力时有电荷产生吗？2 检测技术与检测元件 压电效应是可逆的压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效逆压电效应应”。 所以压电元件可以将机械能所以压电元件可以将机械能转化成电能转化成电能 也可以将电能也可以将电能转化成机械能。转化成机械能。 压电元件压电元件 机械能 电能 2 检测技术与检测元件 252.6.22.6.2压电式检测元件的等效电路及连接方式压电式检测元件的等效电路及连接方式 （1）等效电路等效电路 压电晶晶体体承承受受被被测机机械械力力作作用用时，在在它它的的两两个个极极板板面面上上出出现极极性性相相反反但但电量量相相等等的的电荷荷。显然然可可以以把把压电元元件件看看成成一一个个电荷荷源源（静静电发生生器器）；也也可可以以把把它它视为一一个个极极板板上上聚聚集集正正电荷荷，一一个个极极板板上上聚聚集集负电荷荷，中中间为绝缘体的体的电容容，如，如图所示。其所示。其电容量容量为当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，其大小为其大小为*2 检测技术与检测元件 26压压电电传传感感器器可可等等效效为为电电压压源源Ua和和一一个个电电容容器器Ca的的串串联联电路，如图电路，如图(a)；也也可可等等效效为为一一个个电电荷荷源源q和和一一个个电电容容器器Ca的的并并联联电电路，如图路，如图(b)。qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）电压等效电路）电压等效电路（b）电荷等效电路）电荷等效电路压电式检测元件（传感器）等效电路压电式检测元件（传感器）等效电路电压或电荷能长期保存下来吗？ *2 检测技术与检测元件 27传感器内部信号电荷无传感器内部信号电荷无“漏损漏损”，外电路负载无，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电压电晶体不适合于静态测量晶体不适合于静态测量。*2 检测技术与检测元件 结构型式结构型式在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如图所示。于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如图所示。+ +- -+ + +- -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- - -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- - 并联并联Q Q=nQ U=nQ U=U =U C C=nC=nC 串联串联Q Q=Q U=Q U=nU C=nU C=C/n=C/n2 检测技术与检测元件 从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的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)从电路上看，这是并联接法，从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以，外类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的力作用下正负电极上的电荷量增加了电荷量增加了1倍，电容量也增加了倍，电容量也增加了1倍，输出电倍，输出电压与单片时相同。压与单片时相同。 图图(b)从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、 下极板的下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了了1倍。倍。 2 检测技术与检测元件 2.6.3压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有压电传感器中的压电元件材料一般有三类：三类：一类是压电晶体（如上述的石英晶一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；体）；另一类是另一类是经过极化处理的经过极化处理的压电陶压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。瓷；第三类是高分子压电材料。2 检测技术与检测元件 （一）石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形2 检测技术与检测元件 石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电路中工作时，压电效路中工作时，压电效应与逆压电效应交替应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定作用，从而产生稳定的振荡输出频率。的振荡输出频率。晶振晶振2 检测技术与检测元件 （二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及）及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）。等）。2 检测技术与检测元件 压电陶瓷外形2 检测技术与检测元件 无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）2 检测技术与检测元件 （三）高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性）、改性聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成料，可根据需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等形状。等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。2 检测技术与检测元件 高分子压电薄膜及拉制2 检测技术与检测元件 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆2 检测技术与检测元件 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板2 检测技术与检测元件 压电式脚踏报警器2 检测技术与检测元件 高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）2 检测技术与检测元件 压电效应的应用换能器，机电转换器件：压电点火器、打火机、炮弹引爆装置电声器件：由压电陶瓷构成的扩音器超声工程：医学超声2 检测技术与检测元件 压电传感器的应用一、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。粘贴粘贴位置位置2 检测技术与检测元件 高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块将将厚厚约约0.2mm左左右右的的PVDF薄薄膜膜裁裁制制成成10 20mm大大小小。在在它它的的正正反反两两面面各各喷喷涂涂透透明明的的二二氧氧化化锡锡导导电电电电极极，再再用用超超声声波波焊焊接接上上两两根根柔柔软软的的电电极极引引线线。并并用用保保护护膜覆盖。膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q ，在两个输出引，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脚之间产生窄脉冲报警信号。2 检测技术与检测元件 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，即需要测量回路具在无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，因此压电式传感器此压电式传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于（一般必须高于100Hz100Hz，但在，但在50kHz50kHz以上时，灵敏以上时，灵敏度下降）。度下降）。2 检测技术与检测元件 2压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将将长长的的压压电电电电缆缆埋埋在在泥泥土土的的浅浅表表层层，可可起起分分布布式式地地下下麦麦克克风风或或听听音音器器的的作作用用，可可在在几几十十米米范范围围内内探探测测人人的的步步行行,对对轮轮式式或或履履带带式式车车辆辆也也可可以以通通过过信信号号处处理理系系统统分分辨辨出出来来。右右图图为为测量系统的输出波形。测量系统的输出波形。2 检测技术与检测元件 3.交通监测将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分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、停车区域监控、交监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。2 检测技术与检测元件 高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距将两根高分子压电电缆相距若干米若干米，平行埋设于柏油，平行埋设于柏油公路的路面下约公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。2 检测技术与检测元件 二、压电陶瓷传感器的应用压电片的并联接法压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并并为单片电荷为单片电荷Q的两倍。的两倍。2 检测技术与检测元件 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2 检测技术与检测元件 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压电式步态分析跑台分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压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力2 检测技术与检测元件 52本节小结本节小结1.1.压电式传感器的工作原理：压电效应压电式传感器的工作原理：压电效应2.2.常用的压电材料：石英晶体和压电陶瓷常用的压电材料：石英晶体和压电陶瓷3.3.压电元件常用结构形式：串联和并联压电元件常用结构形式：串联和并联4.4.压电元件的等效电路（静电发生器或电容）压电元件的等效电路（静电发生器或电容）5.5.压电式传感器的测量电路：电压放大器和电荷放大器压电式传感器的测量电路：电压放大器和电荷放大器6.6.压电式加速度传感器工作原理、特性（灵敏度、频率压电式加速度传感器工作原理、特性（灵敏度、频率响应）、应用；压电式压力传感器的原理、灵敏度、响应）、应用；压电式压力传感器的原理、灵敏度、应用应用*