教学课件PPT压电式传感器.ppt

2019/2/27,1,第6章 压电式传感器,压电式传感器的工作原理 某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种有源传感器。,特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大,应用范围：压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲击与振动等许多非电量的测量，广泛应用于声学、医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。, 但不适用于静态参数的测量 ,1880年居里兄弟研究石英时发现,2019/2/27,2,一、压电效应,正压电效应： 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷 去掉外力后，电荷消失，状态复原 作用力相反，电荷极性也发生变化,逆压电效应（电致伸缩效应）： 当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。,2019/2/27,3,压电晶体,压电陶瓷,高分子材料,石英晶体（sio2）,钛酸钡（batio3）,锆钛酸铅（pzt）,聚偏二氟乙烯（pvdf）,二、压电材料,复合压电材料,2019/2/27,4,压电材料主要特性参数 压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出的灵敏度 弹性系数：材料弹性常数，决定器件的固有频率的动态特性 介电常数：固有电容与介电常数有关，影响传感器下限频率 机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数，等于转换输出能量与输入能量之比的平方根。 电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性 居里点：材料开始丧失压电特性的温度, 如石英573,2019/2/27,5,天然形成的石英晶体外形,1、石英晶体,2019/2/27,6,天然形成的石英晶体外形,2019/2/27,7,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,2019/2/27,8,石英晶体化学式为sio2, 是单晶体结构。右图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。,特点：1）晶体各个方向的特性不相同 2）z轴（光轴）方向没有压电效应 3）x轴（电轴）面压电效应最强 4）y轴（机械轴）方向机械变形最大,2019/2/27,9,纵向压电效应,横向压电效应,无压电效应,压电系数,光轴,电轴,机械轴,电荷qx和qy的符号由受拉力还是受压力决定,2019/2/27,10,正常情况下石英体中正负电荷处于平衡，外部呈中性。,不受力,晶体在x方向受力,晶体在y方向受力,正负电荷产生移动，出现带电现象。,fy,fy,fx,fx,石英晶体压电模型,2019/2/27,11,p1,p2,p3,当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120夹角的电偶极矩p1、p2、p3。 如图 所示。,石英晶体压电模型,2019/2/27,12,p1,p2,p3,当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变动。,石英晶体压电模型,2019/2/27,13,p1,p2,p3,此时正负电荷重心不再重合, 电偶极矩在x方向上的分量由于p1的减小和p2、p3的增加而不等于零,石英晶体压电模型,2019/2/27,14,p1,p2,p3,- - - - - -,+ + + + + +,石英晶体压电模型,在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。,2019/2/27,15,p1,p2,p3,石英晶体压电模型,- - - - - - - - - - - -,+ + + + + + + + + + + +,2019/2/27,16,p1,p2,p3,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图所示,石英晶体压电模型,2019/2/27,17,p1,p2,p3,石英晶体压电模型,- - - - -,+ + + + +,2019/2/27,18,p1,p2,p3,- - - - - - - - -,+ + + + + + + +,p1增大, p2、p3 减小。 在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为负电荷。 在y轴方向上不出现电荷。,石英晶体压电模型,2019/2/27,19,当作用力fx、fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变，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。 如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。,石英晶体压电模型,2019/2/27,20,2、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。,2019/2/27,21,压电陶瓷及其换能器外形,2019/2/27,22,无铅压电陶瓷及其换能器外形,2019/2/27,23,压电陶瓷极化处理后的人工多晶铁电体,2019/2/27,24,在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。 外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。,压电陶瓷,2019/2/27,25,当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用时, 电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 f 式中: d33 压电陶瓷的压电系数; f作用力。,压电陶瓷的正压电效应：,2019/2/27,26,压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间变化, 从而使其压电特性减弱。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅, 它是钛酸钡（batio3)和锆酸铅（pbzro3）组成，有较高的压电系数和较高的工作温度。,2019/2/27,27,3、新型压电材料压电聚合物pvdf pvdf是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏二氟乙烯。1969年由日本学者kawai首先发现，具有很强的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。,应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测等应用，在生物医学领域广泛应用。,优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。,2019/2/27,28,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,2019/2/27,29,三、压电式传感器,1、概述 压电式传感器的基本原理是利用压电材料的压电效应，即当施加力作用在压电材料上，传感器就有电荷（或电压）输出。 电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量回路能量，故适于动态测量（一般必须高于100hz，但在50khz以上时，灵敏度下降） 。,2019/2/27,30,2、等效电路,压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于介质），则其电容量为：,2019/2/27,31,当受外力作用时，产生电荷q,电荷等效：,qcaua,电压等效：,2019/2/27,32,实际使用中，还需要考虑连接电缆的等效电容ce、放大器的输入电阻ri、输入电容ci以及传感器的泄漏电阻ra。 实际等效电路如图所示:,2019/2/27,33,3、压电元件的连接,多片压电元件的组合,单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性因素，其连接法分为串联和并联两种。,2019/2/27,34,1）串联,串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适合于电压输出、高频信号测量场合。,2）并联,并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低频信号测量场合。,2019/2/27,35,4、压电元件的分类,按受力和形变方式,在测量低压力时，由于力传递系数非线性（低压力下力的损失较大）存在，导致压电式传感器线性度不好。为此，在测量时需要加入预加力预载。这样，不仅消除压力使用中的非线性外，还可消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。在测量拉力、拉压交变力及剪力和扭矩时必须给压电传感器施加预载。,5、预载,2019/2/27,36,四、测量电路,压电传感器自身内阻抗很高，且输出能量较小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。 其作用为： 将传感器高输出阻抗转换为低输出阻抗； 放大传感器输出的微弱信号。,2019/2/27,37,1、电压放大器阻抗变换器,图中r=rari/(ra+ri)，c=ce+ci，ua=q/ca,2019/2/27,38,当受正弦力ffmsint 作用时：,压电元件输出电压：,放大器输入端电压为：,放大器输入端电压幅值为：,2019/2/27,39,理想情况下，传感器电阻ra和放大器输入电阻ri都为无限大，即(ca+ce+ci)r1，此时输入电压幅值uim为：,放大器输入电压uim与频率无关。实际应用中，当/03时，就可认为以上式成立。,注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。,2019/2/27,40,2、电荷放大器,图中r=rari/(ra+ri)，c=ca+ce+ci，ua=q/ca,由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分流，故可略去r。,2019/2/27,41,根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放大器得输出电压：,通常a=104108，当有（1a）cfca+ce+ci时，上式变为：,电荷放大器的输出电压uo只与输入电荷q（成正比）和反馈电容cf（100104pf）有关，而与电缆电容ce无关,2019/2/27,42,石英晶体振荡器、压力传感器、超声换能器 广泛用于通讯（卫星接收、对讲机、电话机等）、家电（tv/vcd/dvd等）、电脑、汽车电子、电子游戏机等领域,五、应用,2019/2/27,43,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,2019/2/27,44,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,2019/2/27,45,高分子压电薄膜制作的压电喇叭,2019/2/27,46,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,2019/2/27,47,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,玻璃打碎报警装置,2019/2/27,48,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。,2019/2/27,49,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。,2019/2/27,50,交通监测,将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。,2019/2/27,51,压电加速度传感器的安装及使用,a)双头螺丝固定 b)磁铁吸附 c)胶水粘结d)手持探针式 1压电式加速度传感器 2双头螺栓 3磁钢 4粘接剂 5顶针,2019/2/27,52,汽车爆震波形,汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角，就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，混合气体产生自燃，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形，可用压电传感器检测并控制之。,2019/2/27,53,汽车爆震测量,安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。,2019/2/27,54,地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时，海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。 海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海浪变化的数据，并传送到信息