05-压电.ppt

第五章压电式传感器,5.1压电效应（*）5.2压电材料5.3压电式传感器的应用5.4压电式传感器的等效电路5.5测量电路（*电荷与电压放大，观察效应）5.6压电式传感器的动态性能（*）5.7压电式传感器的误差5.8超声波传感器,电感式和电容式力（加速度）传感器的共性问题：结构中必然存在运动部分，必须保证结构的稳定性。启发：电阻受力电阻率变化目标：结构不变输出电量变化方向：结构型传感器物性型传感器问题：结构的研究材料的研究,5.1压电效应压电效应-机械能转变为电能某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。正压电效应当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。压电传感器大都是基于压电材料的正压电效应。,5.1压电效应逆压电效应-电能转变为机械能当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。电致伸缩效应-电能转变为机械能电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象就称为电致伸缩效应。,5.1压电效应,机械能转变为电能,电能转变为机械能,正压电效应,逆压电效应,电致伸缩效应,纵向压电效应,切向压电效应,横向压电效应,压电效应,5.2压电材料自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。性能优良的压电材料(转换性能、机械性能、电性能、环境适应性、时间稳定性)实际应用的压电材料压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等。,5.2压电材料-5.2.1石英晶体,天然形成的石英晶体外形,石英晶体切片及双面镀银封装,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,5.2.1石英晶体以压电晶体为例，压电效应是由于单晶受外应力时其内部晶格结构变形，使原来宏观表现的电中性状态（正负电荷中心重合）被破坏而产生电极化。,介电常数和压电系数的温度稳定性好在20至200温度范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016%，当温度达到573时（居里点），石英晶体丧失压电特性。各向异性的晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质相差很大。,5.2.2压电陶瓷极化前，各个电畴在晶体上杂乱分布，极化效应被相互抵消，原始的压电陶瓷内极化强度为零；在外电场作用下，电畴的极化方向趋向于按外电场的方向；极化处理后，陶瓷内部仍存在有很强的剩余极化强度。受到压力后，自由电荷过剩出现放电现象。受到拉力，出现充电现象。,压电陶瓷外形,无铅压电陶瓷及其换能器外形,压电陶瓷的性能:很高的压电系数；居里点温度低；有热释电现象；稳定性不如石英晶体；人工制造，成本低。,5.2.3压电半导体和高分子压电材料（压电薄膜）压电薄膜：极化的聚偏氟乙烯类薄膜上镀以铝质电极而制成的。压电材料：聚偏氟乙烯()和偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(-TRFE)两类。滑动传感器视频。,5.3压电式传感器的应用有源传感器：在外界作用下产生电荷非电量到电量的转换和测量。力敏感元件：动态（力或加速度）测量不能用于静态测量无运动部件：结构坚固可靠性、稳定性高。优点：频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、重量轻,5.3压电式传感器的应用,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。问题：灵敏度调节问题。,粘贴位置,改进-基于破碎声音测量的玻璃破碎传感器原理：破碎时发出的响亮刺耳的声音频率：处于大约1015KHz的高频段。带通放大器的带宽选在1015KHz的范围内，取出玻璃破碎所产生高频声音。优点：对人的脚步声、说话声、雷雨声等却具有较强的抑制作用，以降低误报率。另一类是双技术玻璃破碎探测器，其中包括声控-震动型和次声波-玻璃破碎高频声响型。,压电踏脚板根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的尺度。,压电式脚踏报警器,5.4压电传感器的等效电路电压源U，与其等效电容Ce串联；电荷源q，与其等效电容Ce并联。,压电元件在承受沿其敏感轴向的外力作用时，产生电荷，相当于一个电荷源；压电元件电极表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为电介质的电容器。,5.5测量电路压电方程耍同时考虑力与电之间相互作用和相互影响，即力正压电效应产生电荷电荷逆压电效应力测量线路不同（电边界为短路状态或电边界为开路状态），则力与电之间相互作用和相互影响不同。,5.5.1电边界为短路状态（电荷放大）应力T1与形变S1关系为：S1=C11T1式中：C11为压电陶瓷固有的柔度系数；与T1作用下产生的变形对应有束缚电荷3=d31T1；所以有：,特点：信号变换是单向的。,C11,T1,S1,3,5.5.2电边界为开路状态,应力形变电荷,结论：电短路条件下灵敏度高于电开路。,C11,T1,S1,3,S1,g13,S1,5.6压电式传感器的动态性能幅频特性；将传感器与测量线路的频率响应结合在一起；分析范畴力学系统压电元件+测量线路力学系统：由力产生变形；压电元件：由变形而产生电荷输出；测量线路：将电荷变换为电压输出。,5.6.1压电式加速度传感器压电式加速度传感器它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。,5.6.1压电式加速度传感器,建立了相对运动和绝对运动的联系。,5.6.2力学系统的频率响应压电传感系统力传递部分的模型,以加速度计为例：在0.50（阻尼系数小于0.65）时，频响特性曲线是平坦的；扩大加速度测量的频率范围增大固有频率，即减小附加质量；灵敏度与带宽两个要求是矛盾的；,5.6.3测量线路的频率响应电压放大器,电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci,u=q/Ca若压电元件受正弦力f=Fmsint，qd33Fmsint的作用,5.6.3测量线路的频率响应电荷放大器幅频特性为：,电荷放大器特点：用高增益的运算放大器形成电短路的边界条件；将线路阻抗的影响减到最低限度；将一些未知的不确定的分布电容影响减少到最小；灵敏度取决于已知的、固定的Rf和Cf，有利于灵敏度的稳定和调整。,5.6.4系统响应系统的频率响应由三部分决定。测量线路的频率响应决定系统的的低频性能；系统的高频部分受到力学系统的固有频率限制；压电元件的性能则对系统的灵敏度起重要作用。以压电陶瓷为例，说明系统的综合频率响应。压电陶瓷的传递系数,力学系统,压电元件,测量线路,t,S,Q,UL,5.6.4系统响应输出电压和加速度的关系系统的幅频特性以02=k/m代入上式得：,5.7压电式传感器的误差压电传感器的误差由温度影响、老化误差、横向干扰和电缆噪声构成。5.7.1温度影响外界温度变化将影响压电传感器的灵敏度。压电系数发生变化；压电传感器等效电容量发生变化；某些压电材料本身同时具有热释电效应；温度的变化会导致传感器中晶体元件受力状态的变化。,5.7.2电缆及器件噪声问题：压电传感器的Ri很大任何微小的干扰产生较大的误差为屏蔽掉外部干扰采用屏蔽电缆传感器电缆承受机械振动和弯曲变形屏蔽层与绝缘层分离摩擦生电分离部分的内表面上将产生电荷感生电荷叠加在压电元件输出的电荷上形成噪声电荷输出解决办法将屏蔽线固定；采用特制低噪声同轴射频电缆。这种电缆的内绝织层和屏蔽层之间涂有减摩材料硅油和导电石墨层，它可以有效地防止电缆振动和弯曲而产生的摩擦生电效应，从而减少电缆噪声。,5.8超声波传感器5.8.1超声波的特性蝙蝠能发出和听见超声波，依靠超声波捕食。,超声波的反射和折射特性当波在界面处产生折射时,入射角的正弦与折射角的正弦之比,等于入射波在第一介质中的波速C1与折射波在第二介质中的波速C2之比,即,超声波的衰减特性声波在介质中传播时,随着传播距离的增加,能量逐渐衰减,其衰减的程度与声波的扩散、散射及吸收等因素有关。其声压和声强的衰减规律为:式中:Px、Ix距声源x处的声压和声强;x声波与声源间的距离;衰减系数。,接触式直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,5.8.2超声波传感器,逆压电效应:将数百伏的电脉冲加到压电晶片上，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。压电效应:当超声波经被测物反射回到压电晶片时，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。探头的特征频率决定于压电晶体的厚度。,各种超声波探头（以下参考常州市常超检测设备有限公司资料）,常用频率范围：0.510MHz，常见晶片直径：530mm,接触式直探头（纵波垂直入射到被检介质）,外壳用金属制作，保护膜用硬度很高的耐磨材料制作，防止压电晶片磨损。,保护膜,接插件,超声波探头中的压电陶瓷芯片,5.8.3超声波传感器的应用物位测量（反射和折射特性）,1液面2直管3空气超声探头4反射小板5电子开关,压电传感器的应用：-超声波传感器测液位常用液位测量方法浮子式液位测量方法（机械）压力液位测量方法（气泡）电容式液位测量方法（管壁、标准化）超声波液位测量方法超声液位测量问题的技术关键盲区温度影响测量距离的影响,盲区A压电晶片的发射脉冲拖尾现象；B发射脉冲小于发射信号幅值之前，检测电路不能区分发射信号和回波信号。C减少盲区的方法盲区时间：t=nT（n是振荡个数，T是压电晶体振荡周期）,温度影响超声波传播速度符合：c超声波在空气中的传播速度t环境温度由于温度引起的声速误差为油箱里的温度是有一定变化的，会给测量结果带来较大的误差。,温度影响降低环境温度和密度的影响通常有如下采用声速校正方案。,测量距离的影响A接收信号无法控制B波形特点前沿却并不是很陡，而且接收信号中的第一周幅值较小，要到第三周或者第周才达到最大值。C当液位高度变化很大时，回波信号的强弱会有很大差别对这些信号进行同样阈值的检定，会降低测量精度。,超声波传感器应用举例（1）,质量检查,紧固件的安装错误检测,叠放高度测