教学课件PPT压电式传感器.ppt

2019 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 5 天然形成的石英晶体外形 1 石英晶体 2019 12 20 6 天然形成的石英晶体外形 2019 12 20 7 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 2019 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 15 p1 p2 p3 石英晶体压电模型 2019 12 20 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 12 20 17 p1 p2 p3 石英晶体压电模型 2019 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 21 压电陶瓷及其换能器外形 2019 12 20 22 无铅压电陶瓷及其换能器外形 2019 12 20 23 压电陶瓷 极化处理后的人工多晶铁电体 2019 12 20 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 12 20 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 d33f 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 12 20 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 12 20 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 12 20 28 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 2019 12 20 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 12 20 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 12 20 31 当受外力作用时 产生电荷q 电荷等效 q caua 电压等效 2019 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 38 当受正弦力f fmsin t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 12 20 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 r 1 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 0 3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 12 20 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 12 20 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 104 108 当有 1 a cf ca 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 100 104pf 有关 而与电缆电容ce无关 2019 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 45 高分子压电薄膜制作的压电喇叭 2019 12 20 46 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 2019 12 20 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 12 20 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 2019 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 12 20 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 并传送到信息浮标