压电式检测元件压电式检测元件教学PPT.ppt

1 2 检测技术与检测元件 第5节压电式检测元件 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 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 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 5 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 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 8 1 天然形成的石英晶体外形 3 石英晶体 9 10 天然形成的石英晶体外形 续 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 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 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 14 15 当晶片在沿x轴的方向上受到压缩应力sxx的作用时 晶片将产生厚度变形 并发生极化现象 在晶体的线性弹性范围内 极化强度pxx与应力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 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 17 式中 电极面间电容 其极间电压为 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 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 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 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 21 变形一致 电荷极性就一致 22 压电效应 厚度受压型 长度受压型 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 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 25 2 6 2压电式检测元件的等效电路及连接方式 1 等效电路压电晶体承受被测机械力作用时 在它的两个极板面上出现极性相反但电量相等的电荷 显然可以把压电元件看成一个电荷源 静电发生器 也可以把它视为一个极板上聚集正电荷 一个极板上聚集负电荷 中间为绝缘体的电容 如图所示 其电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 其大小为 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 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 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 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 nqu uc nc 串联q qu nuc c n 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 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 一 石英晶体 天然形成的石英晶体外形 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 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 压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形 上海硅酸盐研究所研制 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 高分子压电薄膜及拉制 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭 逆压电效应 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 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 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10 20mm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 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 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 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 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 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 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 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用