压电式检测元件压电式检测元件教学PPT.ppt

2 检测技术与检测元件 1 2.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 1.掌握压电式检测元件的工作原理、等效电路 及测量电路 2.掌握压电元件常用结构形式 3.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 等 双向传感器 体积小、重量轻 结构简单、工作可靠 频响宽 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 * 2 检测技术与检测元件 4 各种小巧的压力传感器 压电传感器的外形 压力变送器部件 压力变送器 * 2 检测技术与检测元件 5 压电陶瓷位移器 压电陶瓷超声换能器 压电秤重浮游计 压电加速度计 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 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 快泄漏、消失。 2.6.1压电效应与压电材料 * 2 检测技术与检测元件 7 1、顺压电效应：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 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，称为顺压电效 应或正压电效应，又称为压电效应。 2、逆压电效应：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 应力，这种将电能转换成机械能的现象称逆压电效 应,又称为电致伸缩效应。 f f 极化面 q 压电介质机械能电能 正压电效应 逆压电效应 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 3.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） * 2 检测技术与检测元件 11 外形规则，是一个 正六面体 石英晶体是各向异 性晶体 在直角坐标系中， 它有三个轴。 x y z * 2 检测技术与检测元件 12 (2)石英晶体 的 三个晶轴 光学轴（基准轴，z轴）：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。 机械轴（y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方 向的机械变形最明显。 电轴（x轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上 压电效应最强。 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“纵向 压电效应”, 把沿机械轴y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称 为“横向压电效应”。 而沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。 * 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 从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体 切片，使它的晶面分别平行于x、y、z 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x轴轴的方向上受到压缩应压缩应 力sxx的作用时时 ，晶片将产产生厚度变变形，并发发生极化现现象。 在晶体的线线性弹弹性范围围内，极化强度pxx与应应力sxx 成正比，即 fx沿x轴方向施加的力 d11压电系数，当受力方向和 变形不同时，压电系数也不同； a、c石英晶片的长度和宽度 * 2 检测技术与检测元件 16 结论：当晶片受到x向的压力 作用时， qxx与作用力fx成正比， 而与晶片的几何尺寸无关。 极化强度pxx在数值上等于晶面上的电荷密度，即 式中 qxx垂直于x轴平面上的电荷。 * 2 检测技术与检测元件 17 式中 电极面间电容。 其极间电压为 * 2 检测技术与检测元件 18 在x轴方向施加压力时，左旋石英晶体的x轴正向带 正电；如果作用力fx改为拉力，则在垂直于x轴的平 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， 其电荷仍在与x轴垂直平面上出现，其极性见图（c） 、（d），此时电荷的大小为 + + + + + + + + (c)(d) fy fy xx 式中 d12石英晶体在y轴方向受力时的压电系数。 根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，则上式为 式中 b晶片厚度。 * 2 检测技术与检测元件 20 极间电压 结论： 1. 沿y轴的方向施加作用力产生的电荷与沿x轴施 加作用力所产生的电荷极性相反。(负号) 2.沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的电荷 量与晶片的几何尺寸有关。 * 2 检测技术与检测元件 21 fxfx + + (a)(b) xx + + (c)(d) fy fy x x * 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 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 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? 沿z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 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“逆压电效 应”。 所以压电元件可以将机械能转化成电能 也可以将电能转化成机械能。 压电元件 机械能 电能 2 检测技术与检测元件 25 2.6.2压电式检测元件的等效电路及连接方式 （1）等效电路 压电压电 晶体承受被测测机械力作用时时，在它的两个极板面 上出现现极性相反但电电量相等的电电荷。显显然可以把压电压电 元件看成一个电电荷源（静电发电发 生器）；也可以把它视视 为为一个极板上聚集正电电荷，一个极板上聚集负电负电 荷， 中间为绝缘间为绝缘 体的电电容，如图图所示。其电电容量为为 当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压， 其大小为 * 2 检测技术与检测元件 26 压电传感器可等效为电压 源ua和一个电容器ca的串 联电路，如图(a)； 也可等效为一个电荷源q 和一个电容器ca的并联电 路，如图(b)。 q ca ua uaq/ ca q uaca ca （a）电压等效电路 （b）电荷等效电路 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“漏损”，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 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，压电 晶体不适合于静态测量。 * 2 检测技术与检测元件 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 于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如图所示。 + - + + - + - + - + - + - + - - + - + - + - + - 并联 q=nq u=u c=nc 串联 q=q u=nu c=c/n 2 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 形和电荷数量大小都与单片时相同。 图(a)从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以，外 力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电 压与单片时相同。 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 、 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 大了1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 三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶 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 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 路中工作时，压电效 应与逆压电效应交替 作用，从而产生稳定 的振荡输出频率。 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， 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 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（pzt）及 非铅系压电陶瓷 （如batio3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 （pvf2或pvdf）、聚氟乙烯（pvf）、改性 聚氯乙烯（pvc）等。它是一种柔软的压电材 料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。 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 将高分子压电测 振薄膜粘贴在玻璃上 ，可以感受到玻璃破 碎时会发出的振动， 并将电压信号传送给 集中报警系统。 粘贴 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 将厚约0.2mm左右的pvdf 薄膜裁制成1020mm大小。在它 的正反两面各喷涂透明的二氧化 锡导电电极，再用超声波焊接上 两根柔软的电极引线。并用保护 膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴 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 ，表面产生电荷q ，在两个输出 引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 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 此压电式传感器不能用于静态测量。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，故只适用于动态测量（ 一般必须高于100hz，但在50khz以上时，灵敏度 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） 将长的压电电缆埋在泥 土的浅表层，可起分布式 地下麦克风或听音器的作 用，可在几十米范围内探 测人的步行, 对轮式或履带 式车辆也可以通过信号处 理系统分辨出来。右图为 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 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 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若干米，平行埋设于柏油 公路的路面下约5cm，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 。 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 联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷q并 为单片电荷q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