《压电式传感器》PPT课件.ppt

第五章 压电式传感器,第一节 压电效应和压电材料,第二节 压电传感器的连接方式,第三节、压电式传感器等效电路,第四节 压电式传感器的测量电路,第五节 压电式传感器的应用,第一节 压电效应和压电材料,一、压电效应,当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时、会产生变形，此时这种材料的两个表面特产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应.反之在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电扬后，该物质的变形随之消失把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。,由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它的体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信嗓比高等优点，因此30多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。 利用正压电效应研制成压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点火装置等多种电压发生器，在测试技术个，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。,正、逆压电效应的应用,利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器,如电子手表就要压电谐振器。利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声纳和压电声表面波器件等。 更有意义的是：根据研究生物压电学的结果认识到生物都具有压电性，人的各种感觉器官实际上是生物压电传感器。如根据正压电效应治疗骨折，可加速疮愈，用逆压电效应，对骨头通电具有矫正畸形骨等功能。,二、压电材料简介,压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷. 具有较好特性：具有较大的压电常数机械性能优良(强度高，固有振荡频率稳定)，时间稳定性好，温度稳定性也很好等，所以它们是较理想的压电材料。,1 压电晶体 常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成分为二氧化硅。 2压电陶瓷 压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电 。,1. 石英晶体,结晶形状是六角晶柱，它是一个正六面体，我们用直角坐标三个轴来表示： 纵轴线z 光轴 穿过棱线且z轴的x轴 电轴 棱面的y轴 力轴（机械轴）,现象：,沿电轴x 方向施力，在x轴表面产生电荷 纵向压电效应 沿力轴y 方向施力，也在x轴表面产生电荷 横向压电效应 沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷； 若改变受力方向，表面极性也相应改变； 分别使x、y方向都受压或受拉，极性也相反。,2、压电陶瓷的压电现象,压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶体有许多自发极化的电畴。在极化处理以前各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，如图所示。,压电陶瓷的极化,在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，如图(b)所示。既然已极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当外电场撤销后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零如图54(c)所示，此时存在剩余极化强度。,同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负，如图55所示。由于柬缚电荷的作用、在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，因此陶瓷片对外不呈现极性。,图5-5束缚电荷和自由电荷排列的示意图,如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转、极化强度变小,因此，吸附其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象. 这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力成正比例关系。即 - 压电陶瓷的压电系数； -作用力。,生物传感器技术应用领域及未来发展特点(一),Sensor,有人把21世纪称为生命科学的世纪，也有人把21世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科。 生物传感器研究的全面展开是在20世纪80年代,20多年来发展迅速,在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用。生物传感器正进入全面深入研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。,1.食品工业 生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分。 食品成分分析：在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖等。 食品添加剂的分析：亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。,2.环境监测,近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线 监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。 大气环境监测：二氧化硫(SO2)是酸雨酸雾形成的主要原因,传统的检测方法很复杂。Marty等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上,和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨酸雾样品溶液进行检测。,3.发酵工业 在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。 微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。另外，还用于微生物细胞数目的测定。 4.医学领域 生物传感技术因为其专一、灵敏、响应快等特点，在灵床医学、军事医学方面，也具有广阔的应用前景。 利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。,第二节 压电传感器的连接方式,一、压电晶片的连接方式: 由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作静态测量只能在其上加交变力电荷才能不断得到补充可以供给测量电路一定的电流故压电传感器只宜作动态测量。 制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此接法有并联和串联两种如图56所示:,并联连接式压电传感器的输出电容 和极板上的电荷 分别为单块晶体片的2倍，而输出电压 与单片上的电压相等。即: 串联时,输出总电荷 等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容应为单片的1/2。即,由此可见，并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电容小，适宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。,在制作和使用压电传感器时，要使压电晶片有一定的预应力。这是因为压电晶片在加工时即使磨得很光滑，也难保证接触面的绝对平滑、如果没有足够的压力，就不能保证全面的均匀接触，因此事先要给晶片一定的预应力，但预预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度。,实验表明，压电陶瓷的压电常数随着使用时间的增加而减小。因此为了保证传感器的测量精度，最好每隔半年进行一次灵敏度校正。,叠层式压电晶片结构形式,第三节、压电式传感器等效电路,压电式传感器实质上是一个电容器 : 当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板两极板间的物质等效于一介质，因此压电片相当于一只平行板介质电容器参见图57。其电容量为:,r 晶片相对介电常数 0 真空介电常数 S 工作面面积 晶片厚度,和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。,所以，可以把压电传感器等效为一个电压源 和一只电容c串联的电路，如图58( a)所示。由图可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数RC按指数规律放电。,压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联电路，此时，该电路被视为一个电荷发生器如图58(b)所示。,5-8(a)电压源,5-8(b)电荷源,图5-8 压电式传感器的等效电路,压电传感器在实际使用时、总是要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容 放大器的输入电阻 。和输入电容 , 这样压电式传感器在测量系统中等效电路就应如图59所示。图中，C为传感器的电容, 为传感器的漏电阻。,图 5-9(b)电荷源,图 5-9(a)电压源,第四节 压电式传感器的测量电路,为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载电阻R要大到一定数值才能使晶体片上的漏电流相应变小，因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。,根据前面的等效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷因此前置放大器也有两种形式： 电压放大器和电荷放大器。,1电压放大器(阻抗变换器),电压型 等效电路,根据上图，设R为传感器的漏电阻 和放大器的输入电阻 的并联等效电阻、C为 和 并联等效电容则,压电传感器的开路电压是 ，若压电元件沿电轴方向施加交变力 ，则产生的 电荷和电压均按正弦规律变化、其电压为:,电压的幅值等于 ，送到放大器输入端的电压为,因此,前置放大器的输入电压的幅值为:,输入电压和作用力之间的相位差为:,在理想情况下传感器的绝缘电阻 和前置放大器的输入电阻 都为无限大，即 也无电荷泄漏。在理想情况下，前置放大器的输入电压的幅值为:,它与实际输入电压之幅值 比为:,其中:,为测量回路的时间常数。从而相角的表示为:,由上式得到电压幅值比和相角与频率比的关系曲线，如图510所示。当作用于压电元件上的力为静态力 时，则前置放大器的输入电压等于0。因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态测量。,当3 1，即3 1 时，前置放大器输入电 压 随频率增加而渐渐减缓. 3 时, 可近似认为输入电压与作用力的频率 无关。即说明压电传感器的高频响应比较好，所以它用于高频交变力的测量，而且相当理想。,一般电压放大器采用高输入阻抗的前级放大器,一般在集成运放出现以前多采用MOS场效应管和分离元件来实现,但由于调试周期长,抗干扰能力较弱,所以目前多采用集成运放来作为前级的放大.一般采用高输入阻抗运放.,集成运算比例放大器,（1） 比例放大器:,（2）结型场效应管(JFET)输入级的集成运放:,国产芯片为CF355,CF356 和 CF357： 1. 约1012的输入电阻； 2. 比较高的速度： CF355: 转换速率SR=5V/s LF356: SR=12V/s LF357: SR=50V/s。 运放要求双电源供电,供电电压的极限值为18V。 运放的外引脚排列和应用电路的基本形式相同,如图所示。,运放输入电阻大,速度高, 供电必须添加去耦电路； 运放的使用温度范围为070； 当闭环增益大于5时不要使用CF357,否则会引起自激； 与这三种运放相同的国外型号有LF355/LF356/LF357, 封装,外引线排列及应用线路完全相同；,生物传感器技术应用领域及未来发展特点(一),Sensor,近年来，随着生物科学、信息科学和材料科学发展的推动，生物传感器技术飞速发展。可以预见，未来的生物传感器将具有以下特点。 1 、功能多样化：未来的生物传感器将进一步涉及医疗保健、疾病诊断、食品检测、环境监测、发酵工业的各个领域。目前, 生物传感器研究中的重要内容之一就是研究能代替生物视觉、听觉和触觉等感觉器官的生物传感器,即仿生传感器。,2 微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检测食品成为可能。 3、智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。 4、低成本、高灵敏度、高稳定性和高寿命:生物传感器技术的不断进步,必然要求不断降低产品成本，提高灵敏度、稳定性和延长寿命。这些特性的改善也会加速生物传感器市场化、商品化的进程。,2电荷放大器：,电荷放大器是一个有反馈电容 的高增益运算大器。当略去 和 并联等效电阻R后，压电传感器常使用的电荷放大器可用图12所示的等效电路表示。图中A为运算放人器增益。由于运算放大器具有极高的输入阻抗因此放大器的输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容 充电充电电压接近放大器的输出电压。,图12,则有：,由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压：,却当A1和且满足 时，就可认为,可见电荷放大器的输出电压 和电缆电容 无关而且与 q 成正比，这是电荷放大器的最大特点。,由于电压放大器的输出电压随传感器输出电缆的电容而变化，所以在实际测量中，主要使用电荷放大器。图513给出一个实用的电荷放大器电路。,要注意的是，这两种放大器电路的输入端都应加过载保护电路；否则，在传感器过载时会产生过高的输出电压。,图 13,第五节 压电式传感器的应用,广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的各种传感器，都可称为压电式传感器、它们已经广泛地应用在工业、军事和民用等领域。表52给出了其主要应用类型。在这些应用类型中力敏类型应用最多。可直接利用压电传感器测量力、压力、加速度、位移等物理量。,一、压电式测力传感器 下图是压电式单向测力传感器的结构图，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。,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，实现力、电转换。石