第5章+压电传感器.ppt

第五章压电式传感器 压电式传感器是一种自发电式传感器 它以某些电介质的压电效应为基础 在外力作用下 在电介质表面产生电荷 从而实现非电量电测的目的 压电传感元件是力敏感元件 它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量 例如动态力 动态压力 振动加速度等 但不能用于静态参数的测量 压电式传感器具有体积小 质量轻 频响高 信噪比大等特点 由于它没有运动部件 因此结构坚固 可靠性 稳定性高 第一节压电式传感器原理 一 压电效应 某些晶体在一定方向上受到外力作用时 内部产生极化现象 相应在晶体的两个表面上产生符号相反的电荷 当外力除去时 电荷消失 当外力反向时 电荷极性也反向 被称为压电效应 石英晶体的压电效应演示 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 天然形成的石英晶体外形 二 石英晶体的压电效应 石英 二氧化硅单晶 六角棱柱体 X Y Z三个晶轴 晶体切块 1 X向应力 纵向压电效应 电荷计算 2 Y向应力 横向压电效应 压力 拉力 压力 拉力 分别为两个方向的压电系数 且 与几何尺寸无关 与几何尺寸有关 关于压电效应的解释 硅离子 硅离子 硅离子 氧离子 氧离子 氧离子 石英晶体在X Y平面离子分布 X方向受力 Y方向受力 Z方向受力将不产生压电效应 三 压电陶瓷的压电效应 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 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时 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 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 多晶铁电体 在强电场中极化 电畴排列规则化 压电陶瓷外形 电荷计算 为纵向压电系数 取压电材料的极化方向为Z轴 Z受压 Y受压 电荷计算 极化面面积 受力面面积 且 第二节压电材料及压电元件 一 压电材料 要求 1 转换性能 压电常数大 2 机械性能 机械强度高 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率 3 电性能 电阻率大 介电常数大 4 环境适应性强 引起压电效应破坏的温度点 居里点 高 获得较宽的工作温度范围 5 时间稳定性好 要求压电性能不随时间变化 压电材料的主要特性参数有 1 压电常数 是衡量材料压电效应强弱的参数 它直接关系到压电输出的灵敏度 2 弹性常数 决定着压电器件的固有频率和动态特性 3 介电常数 对于一定形状 尺寸的压电元件 其固有电容与介电常数有关 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限 4 机械耦合系数 在压电效应中 其值等于转换输出能量 如电能 与输入的能量 如机械能 之比的平方根 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数 5 电阻 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 从而改善压电传感器的低频特性 6 居里点 压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点 一 石英晶体 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好 在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化 但到573 时 它完全失去了压电特性 这就是它的居里点 机械强度高 绝缘性能也相当好 但石英材料价格昂贵 且压电系数比压电陶瓷低得多 二 水溶性压电晶体 具有较高的压电灵敏度和介电常数 但易受潮 机械强度也较低 只适用于室温和湿度低的环境 三 铌酸锂晶体 居里点高 1210度 压电性能和时间稳定性能好 在耐高温的传感器上应用广泛 四 压电陶瓷 应用最普遍的压电材料 钛酸钡 是由碳酸钡 BaCO3 和二氧化钛 TiO2 按1 1分子比例在高温下合成的压电陶瓷 它具有很高的介电常数和较大的压电系数 约为石英晶体的50倍 不足之处是居里温度低 120 温度稳定性和机械强度不如石英晶体 锆钛酸铅系 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb Zr Ti O3 它与钛酸钡相比 压电系数更大 居里温度在300 以上 各项机电参数受温度影响小 时间稳定性好 此外 在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素 如铌 锑 锡 锰 钨等 还可以获得不同性能的PZT材料 因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料 铌酸盐系 具有较高的居里点 较低的介电常数 常用于水声传感器 铌镁酸铅系 具有较高的压电系数和居里点 能够在较高的压力下工作 适合作为高温下的力传感器 五 压电半导体 利用压电特性和半导体特性 可制成集转换原件和电子线路为一体的新型传感器 六 高分子压电材料 是一种柔软的压电材料 不易破碎 将压电陶瓷粉末加入高分子化合物 可以制成高分子 压电陶瓷薄膜 既柔软 又具有较高的压电常数 二 压电元件 并联Q nQU UC nC 串联Q QU nUC C n 压电元件在压电式传感器中 必须有一定的预应力 这样可以保证在作用力变化时 压电片始终受到压力 同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系 并联接法 输出电荷大 时间常数大 宜用于测量缓变信号 并且适用于以电荷作为输出量的场合 串联接法 输出电压大 本身电容小 适用于以电压作为输出信号 且测量电路输入阻抗很高的场合 第三节压电传感器的测量电路 一 压电式传感器的等效电路 压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件电容器的并联电路 也可以等效为电压源和电容器的串联电路 其中电容器为 压电元件极板面积 元件厚度 相对介电常数 二 压电式传感器的测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用 1 把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出 2 将压电式传感器输出的弱信号放大 前置放大器形式 1 电压放大器 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 由 得 电缆长度会影响灵敏度 一 电压放大器 即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时 前置放大器的输入电压幅值与频率无关 这说明 在测量回路时间常数一定的条件下 压电式传感器具有相当好的高频响应特性 但是 当被测动态量变化缓慢 而测量回路时间常数不大时 会造成传感器灵敏度下降 因而要扩大工作频带的低频端 就必须提高测量回路的时间常数 但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数 会影响传感器的灵敏度 根据传感器电压灵敏度Ku的定义得 因为 R 1 故上式可以近似为 可见 Ku与回路电容成反比 增加回路电容必然使Ku下降 为此常将Ri很大的前置放大器接入回路 其输入内阻越大 测量回路时间常数越大 则传感器低频响应也越好 另外 当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时Cc将改变 必须重新校正灵敏度值 二 电荷放大器 具有深度负反馈的高增益放大器 忽略三个电阻的影响 输入到运放的电荷 又 及 1 将 代入 1 式 得 灵敏度 可见 输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关 第四节压电式传感器的应用 一 压电式力传感器 22 二 压电式压力传感器 当传感器感受振动时 因为质量块相对被测体质量较小 因此质量块感受与传感器基座相同的振动 并受到与加速度方向相反的惯性力 此力F ma 同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 运动方向 2质量块 1电极 3螺母 4压电陶瓷 5基座 纵向效应型加速度传感器的截面图 三 压电式加速度传感器其结构一般有纵向效应型 横向效应型和剪切效应型三种 纵向效应是最常见的 如图 压电陶瓷4和质量块2为环型 通过螺母3对质量块预先加载 使之压紧在压电陶瓷上 测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起 输出信号由电极1引出 q dF dma 此式表明电荷量直接反映加速度大小 其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关 为了提高传感器灵敏度 一般选择压电系数大的压电陶瓷片 若增加质量块质量会影响被测振动 同时会降低振动系统的固有频率 因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度 此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度 压电式振动加速度传感器的结构及外形 横向振动测振器 纵向振动测振器 压电振动加速度传感器的性能指标 以某小型 内装IC的压电加速度传感器 为例 技术指标 灵敏度 500mV g量程 10g频率范围 4 4000Hz安装谐振点 15kHz分辨力 0 00004g重量 40g安装螺纹 M5mm线性 1 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 压电振动加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器可以用于判断汽车的碰撞 从而使安全气囊迅速充气 从而挽救生命 还可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 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 爆震测量 振动的频谱分析及仪器 时域图形 测量时域图形用的是示波器 测量频域图形用频谱仪 频谱仪 频域图形 频谱图 频谱图或频域图 它的横坐标为频率f 纵坐标可以是加速度 也可以是振幅或功率等 它反映了在频率范围之内 对应于每一个频率分量的幅值 频谱仪外形 续 频域图 频谱图 参考深圳安泰信电子有限公司资料 时 频域图形 依靠频谱分析法进行故障诊断 减速箱故障分析 a 时域波形b 频域波形 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 由信息浮标发送到气象卫星 再从气象卫星传送到卫星地面站 海啸预警系统 气象接收及发射天线 振动压力传感器 6000m海底 浮标 深海地沟 四 压电式流量计利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量 其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器 每隔一段时间 如1 100s 发射和接收互换一次 在顺流和逆流的情况下 发射和接收的相位差与流速成正比 据这个关系 可精确测定流速 流速与管道横截面积的乘积等于流量 此流量计可测量各种液体的流速 中压和低压气体的流速 不受该流体的导电率 粘度 密度 腐蚀性以及成分的影响 其准确度可达0 5 有的可达到0 01 根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化 测量声速随深度的分布情况 五 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 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