医用传感器lzy_6.ppt

第6章压电式传感器 等效电路及测量电路 1 2 第6章压电式传感器 6 3 压电传感器的应用 第一节压电效应 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 内部正负电荷中心相对位移 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 当作用力方向改变时 电荷的极性也随之改变 这种机械能转换为电能的现象 称为 正压电效应 压电效应 压电效应 定义 某些电介质 晶体 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 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 又重新恢复不带电状态 这种现象称压电效应 压电效应 分类 正压电效应 当作用力方向改变时 电荷的极性也随之改变 常把这种机械能转换为电能的现象称正压电效应 或顺压电效应 逆压电效应 当在电介质极化方向上施加电场 这些电介质也会在产生几何变形 当外加电场撤去时 这些变形也随之消失 这种将电能转化成机械能的现象称逆压电效应 或称电致伸缩效应 压电效应具有可逆性 利用这一特性可以实现机械能和电能的相互转换 压电效应 特性 压电晶体 如石英等 压电陶瓷 如钛酸钡 锆钛酸铅等 新型压电材料 压电半导体 如硫化锌 碲化镉等 高分子压电材料 自然界中大多数晶体都具有压电效应 但压电效应十分微弱 压电材料 分类 具有压电效应的材料称为压电材料 石英是单晶体 具有规则的几何外形 其形状为六角形晶柱 两端呈六棱锥形状 二 石英晶体 Z轴 光轴 是晶体的对称轴 用光学方法确定 作为基准轴 X轴 电轴 经过正六棱柱相对的两个棱线 且垂直于光轴 该轴压电效应最显著 Y轴 机械轴 垂直于两个相对的表面 在此轴上加力产生的变形最大 石英晶体压电效应机理 石英晶体 SiO2 代表硅离子Si4 代表硅离子2O2 当石英晶体没有受到外力作用时 正负电荷中心重合 晶体表面不产生电荷 呈电中性 1 当石英晶体在X轴方向上受到压力时 结果 A面上呈现负电荷B面上呈现正电荷 这种沿X轴施加力 而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象 就是 纵向压电效应 2 当石英晶体在Y轴方向上受到压力时 结果 A面上呈现正电荷B面上呈现负电荷 这种沿Y轴施加力 而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象 就是 横向压电效应 3 当石英晶体在Z轴方向上受到压力时 正负电荷始终中心重合 所以晶体表面无电荷产生 沿Z轴方向施加外力 石英晶体不产生压电效应 纵向压电效应 横向压电效应 表面电荷的计算问题 有一石英晶体 其长度为5mm 宽度为4mm 厚度为10mm 当受到压力P 10MPa作用时 求在纵向压电效应的压缩力作用下产生的电荷量 d 2 31PC N 当沿X轴施加作用力时 晶片产生厚度变形 并在与x轴垂直的平面上产生电荷 且电荷密度与应力成正比 x轴方向受力的压电系数 沿y轴施加作用力时 晶片产生长度变形 并在与x轴垂直的平面上产生电荷 且电荷密度与应力成正比 y轴方向受力的压电系数 晶片厚度 结论 当晶片受到x方向的压力作用时 qx只与作用力Fx成正比 而与晶片的尺寸无关 沿机械轴y方向向晶片施加压力时 产生的电荷与几何尺寸有关 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的 晶体在哪个方向上有正压电效应 则在此方向上一定存在逆压电效应 无论是正或逆压电效应 其作用力 或应变 与电荷之间皆呈线性关系 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 压电陶瓷产品 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷 属于铁电体一类的物质 是人工制造的多晶体压电材料 具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴 分子自发形成的区域 有一定的极化方向 从而存电场 未加电场 原始的压电陶瓷内呈中性不具有压电性质 在无电场作用时 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 压电陶瓷是人工多晶铁电体 原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性 在无外电场作用时 电畴在晶体中杂乱分布 它们各自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 a 极化前b 极化c 极化后 加电场 施加外电场时 电畴的极化方向发生转动 趋向外电场方向排列 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 当外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度 即极化方向都整齐地与外电场方向一致 当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 压电陶瓷极化后具有压电特性 未极化时是非压电体 由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0 即在陶瓷的一端出现正束缚电荷 另一端出现负束缚电荷 由于束缚电荷的作用 在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷 这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等 所以整体上表现为电中性 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F 如图 陶瓷片将产生压缩形变 片内的正 负束缚电荷之间的距离变小 极化强度也变小 因此 原来吸附在电极上的自由电荷 有一部分被释放 而出现放电荷现象 当压力撤消后 陶瓷片恢复原状 片内的正 负电荷之间的距离变大 极化强度也变大 因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象 这种由机械能转变为电能的现象 就是正压电效应 D33 压电陶瓷的压电系数F 作用力 晶体极化后 沿极化方向作用力时 引起剩余极化强度变化 在极化面上产生电荷 电荷量的大小与外力成正比关系 d33 d11 d12 压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高 同样 若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 如图 由于电场的方向与极化强度的方向相同 所以电场的作用使极化强度增大 这时 陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大 就是说 陶瓷片沿极化方向产生伸长形变 同理 如果外加电场的方向与极化方向相反 则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变 极化方向 电场方向 这种将电能转变为机械能的现象 就是逆压电效应 种类 压电单晶体 如石英等 压电陶瓷 如钛酸钡 锆钛酸铅等 压电半导体 如硫化锌 碲化镉等 对压电材料特性要求 转换性能 要求具有较大压电常数 机械性能 希望它的机械强度高 刚度大 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率 电性能 希望具有高电阻率和大介电常数 以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性 环境适应性强 温度和湿度稳定性要好 要求具有较高的居里点 获得较宽的工作温度范围 时间稳定性 要求压电性能不随时间变化 压电材料 一 等效电路 压电传感器在受外力作用时 在两个电极表面将要聚集电荷 且电荷量相等 极性相反 这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器 其电容量为式中 0为真空介电常数 为压电材料的相对介电常数 d为压电元件的厚度 A为压电元件极板面积 第二节等效电路和测量电路 当压电晶体在外力作用下 其两个极面上将出现极性相反电量相等的电荷 压电传感器可以看作电荷发生器 图 a 同时 它也是一个电容器 晶体上聚集正 负电荷的两表面相当于电容的两个极板 极板间物质等效于一种介质 图 b 当两极板聚集异性电荷时 则两极板呈现一定的电压 大小为 A d 压电片的面积 厚度 0 1 3 6 r 真空 压电材料的相对介电常数 电容量 a 等效电压源 一个与电容相串联的电压源 b 等效电荷源 一个与电容相并联电荷源 电压灵敏度 电荷灵敏度 两者的关系 压电传感器的完整等效电路 a 电压源 b 电荷源 压电传感器与测量仪表联接时 还必须考虑电缆电容CC 前置放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的绝缘电阻Ra 压电传感器完整的等效电路可表示成图所示 思考 压电晶体不适合于静态测量 只有当压电传感器内部信号电荷无漏损或外接电路负载RL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 对于静态 低频测量极为不利 必然带来误差 只有外力不断以较高频率作用 传感器的电荷才能得以补充 压电晶体不适合于静态测量 在实际使用时压电传感器总要与测量仪器或测量电路相连接 需考虑压电传感器的泄漏电阻 连接电缆的等效电容 前置放大器的输入电阻和输入电容等 二 测量电路 压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗 这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大 压电传感器的前置放大器有两个用处 一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 二是把传感器的微弱信号进行放大 传感器的内阻很大 而输出信号较小 一般不能直接取用 需要接入高输入阻抗的前置放大器 根据压电传感器等效电路可知 传感器的输出可以是电压信号 也可以是电荷信号 有相应两种形式 1 电压放大器 也称作阻抗变换器 其输出电压与输入电压 传感器的输出电压 成正比 2 电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 一 电压放大器 1 电路原理图 等效电阻 等效电容 传感器的泄漏电阻Re 连接电缆的等效电容Ce 前置放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci 电容器上的电压ua q Ca f Fmsin t Fm为幅值 如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化 产生的电荷与电压也按正弦变化 即 Um dFm Ca压电元件输出电压幅值d 压电系数 2 放大器输入端的电压Ui分析 输入电压和作用力之间相位差为 当作用于压电元件的力为静态力 0 时 前置放大器的输出电压等于零 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉 所以压电传感器不能用于静态力的测量 由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关 当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时 Cc将改变 从而引起放大器的输出电压也发生变化 在设计时 通常把电缆长度定为一常数 使用时如要改变电缆长度 则必须重新校正电压灵敏度值 电压灵敏度 理想情况下 传感器的电阻值Re与前置放大器输入电阻Ri都为无限大 即 Ca Ce Ci R 1 则输入电压幅值Uim 结论 理想情况下 输入电压幅值 a Uim与F的 无关 高频响应特性较好 c 当 Ca Ce Ci R 1 改变压电传感器的引线电缆长度时 其电缆电容Ce的变化将引起放大器Uim的变化 测量中通常电缆长度需固定 Ce 常数 否则将引入测量误差 d 电压灵敏度Ku b 当为静态力时 0 时 前置放大器的输出电压 0 所以压电传感器不能测量静态物理量 二 电荷放大器 为解决电缆分布电容对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺点 可采用电荷放大器 电荷放大器具有深度负反馈的高增益放大器 常作为压电传感器的输入电路 由一个反馈电容Cr和高增益运算放大器A构成 由于放大器的开环增益A足够大 并且输入端阻抗很高 放大器输入端几乎没有分流 运算电流仅流入反馈回路Cr 输入到放大器的电荷量为 输出电压 放大器输入电荷 而反馈电容Cf上的电荷 当A 1 而 1 A Cf Ca Cc Ci时 上式简化为 q 传感器电荷 整理 得放大器的输出电压 a 当A足够大时 输出电压与A无关 电荷放大器的输出电压uo取决于传感器产生的电荷量q及反馈电容Cf 与电缆电容Cc无关 改变Cf的大小便可得到所需的电压输出 Cf 100 104pF b 传感器本身的电容Ca和电缆电容Cc将不影响电荷放大器的输出 故电缆引线长度变化不会带来测量误差 输出电压uo 使用电压放大器时 测量系统对电缆电容的变化很敏感 连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出 使用电荷放大器时 电缆长度变化的影响几乎可忽略不计 但与电压放大器相比 电荷放大器价格要高很多 电路也较复杂 调整起来也较困难 电压放大器和电荷放大器的主要区别 例 如图所示电荷前置放大器电路 已知Ca 100pFRa CF 10pF 若考虑引线Cc的影响 当A0 104时要求输出信号衰减小于1 求 使用90pF m的电缆其最大允许长度为多少 在实际应用中 由于单片的输出电荷很小 因此 组成压电式传感器的晶片不止一片 常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起 粘结的方法有两种 即并联和串联 三 压电传感器的级联方式 并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上 正电荷集中在两侧的电极上 传感器的电容量大 输出电荷量大 时间常数也大 故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号 串联方法正电荷集中于上极板 负电荷集中于下极板 传感器本身的电容量小 响应快 输出电压大 故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号 并联连接 串联连接 1 并联 2 串联 压电式传感器可用于力 压力 速度 加速度 振动等许多非电量的测量 可做成力传感器 压力传感器 振动传感器等等 一 压电式测力传感器 压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力 电转换的传感器 目前 测力传感器已组成各种锤头型测力锤 可测量动态力 准静态力和冲击力等 压电式力传感器外形图 第三节压电传感器的应用 压电式力传感器结构 传感器上盖为传力元件 它的外缘壁厚为0 1 0 5mm 外力作用使它产生弹性变形 将力传递到石英晶片上 利用其纵向压电效应 通过d11实现力 电转换 通过弹性膜 盒等 把压力收集 转换成力 再传递给压电元件 为保证静态特性及其稳定性 通常多采用石英晶体作压电元件 二 压电式加速度传感器结构 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时 压电元件受质量块惯性力F的作用 产生电荷 q d11F d11ma 例1 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 例2 压电式血压传感器 例3 指套式电子血压计 测量时将心音传感器底座用橡皮膏与人体体表粘结 传感器感受与人体体表相同频率的振动 质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电晶体上 压电晶体便产生电荷 心音是一种生物机械振动现象 加速度型心音传感器是将一个质量块以一定的预应力安装在双压电晶体上 压电晶体和导线都用导电胶粘结在底座上 例4 加速度型心音传感器 石英晶振 晶振一般叫做晶体谐振器 由压电效应制成的一种谐振器件 是用电损耗很小的石英晶振经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成 石英晶振 例5 微重力压电晶体生物传感器 石英晶体的谐振频率极大地依赖于晶体以及涂层的组合质量 石英传感器 其表面吸附的被分析物质而引起的谐振频率变化关系为 利用这一原理可对溶液中许多化合物 通过电极上的电解沉淀进行测量 例如监测微生物的生长率 该方法当浓度在范围内 有很好的线性 例6 超声诊断仪探头 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围 则其发射或接收的声频信号即为超声波 这样的换能器称为压电超声换能器