项目八 压电式传感器.ppt

项目八压电式传感器 本章的主要内容有1 压电式传感器的结构原理 2 压电式传感器的测量电路 3 压电式传感器的典型应用 通过学习应掌握压电式传感器的性能特点及其基本应用方法 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器 它可以测量最终能变换为力的各种物理量 例如力 压力 加速度等 是典型的有源传感器 压电效应示意图 特点 压电式传感器具有体积小 重量轻 频带宽 灵敏度高等优点 近年来压电测试技术发展迅速 特别是电子技术的迅速发展 使压电式传感器的应用越来越广泛 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 压电陶瓷外形 8 1基本原理分析一 压电效应某些晶体 在一定方向受到外力作用时 内部将产生极化现象 相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷 当外力作用除去时 又恢复到不带电状态 当作用力方向改变时 电荷的极性也随着改变 这种现象称为压电效应 反之 在电介质的极化方向上施加电场 这些电介质也会产生几何变形 这种现象称为 逆压电效应 电致伸缩效应 具有压电效应的物质很多 如石英晶体 压电陶瓷 压电半导体等 二 石英晶体的压电效应石英晶体是一种应用广泛的压电晶体 它是二氧化硅单晶 属于六角晶系 图是天然石英晶体外形 它为规则的六角棱柱体 天然形成的石英晶体外形 天然形成的石英晶体外形 二 石英晶体的压电效应石英晶体有三个晶轴 Z轴又称光轴 它与晶体的纵轴线方向一致 X轴又称电轴 它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴 y轴又称机械轴 它垂直于两个相对的晶柱棱面 从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片 当沿着X轴对压电晶片施加力时 将在垂直于X轴的表面上产生电荷 这种现象称为纵向压电效应 纵向压电效应产生的电荷为 qxx dxxFx Qxx为垂直于X轴平面上的电荷 dxx压电系数 XX为产生电荷的面的轴向 作用力的轴向 Fx沿X方向的压力 结果讨论 qxx dxxFx 当晶片受到X向压力的作用时 qxx与作用力Fx成正比 而与晶片的几何尺寸无关 如将作用力改为拉力时 则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷 但极性相反 沿着y轴施加力的作用时 电荷仍出现在与X轴垂直的表面上 这称之为横向压电效应 当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应 横向压电效应产生的电荷为 根据石英晶体的对称条件dXY dXX 所以由上式可以看出 沿机械轴方向向晶片施加压力时 产生的电荷是与几何尺寸有关的 式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的 石英晶片受压力或拉力时 电荷的极性如下图所示 石英晶体在机械力的作用下在其表面产生电荷的原因如下 石英晶体的每一个晶体单元中 有三个硅离子和六个氧离子 正负离子分布在正六边形的顶角上 如下图所示 当作用力为零时 正负电荷相互平衡 所以外部没有带电现象 而受力后破坏了平衡 就带电了 如果在X轴方向施加压力 则氧离子挤入硅离子2 6间 硅离子挤入氧离子3 5间 结果A面出现 电荷 B面出现 电荷 如果为拉力时 则相反 如果在Y轴方向施加压力 结果A面出现 电荷 B面出现 电荷 如果为拉力时 则相反 如果在Z轴方向施加压力时 硅离子和氧离子是对称地平移 A B面上没有电荷出 不产生压电效应 逆压电效应 当在某些物质的极化方向上施加电场 这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力 当外加电场撤去时 这些变形或应力也随之消失 这种电能转化为机械能的现象称为 逆压电效应 或 电致伸缩效应 小结 当晶片受到x方向的压力作用时 qx只与作用力Fx成正比 而与晶片的几何尺寸无关 沿机械轴y方向向晶片施加压力时 产生的电荷是与几何尺寸有关的 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 或电场强度 之间皆呈线性关系 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 分子自发形成的极化方向相同的小区域 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 压电陶瓷在一定的温度条件下 对压电陶瓷进行极化处理 即以强电场使电畴规则排列 这时压电陶瓷就具有了压电性 在极化电场去除后 电畴基本上保持不变 留下了很强的剩余极化 如下图所示 对于压电陶瓷 通常取它的极化方向为Z轴 当压电陶瓷在沿极化方向受力时 则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷 其电荷量q与作用力F成正比 即 q dzzF dzz压电陶瓷的压电系数 F作用力 压电陶瓷在受到沿y方向的作用力或沿x方向的作用力时 在垂直于z轴的上 下平面上分别出现正 负电荷 其电荷量q与作用力F成正比 即 AZ极化面面积 AY AX受力面面积 dzy dzx压电陶瓷横向压电系数 8 2压电材料及压电元件的结构一 压电材料压电材料一般应考虑以下主要特性 1 具有较大的压电常数 2 压电元件的机械强度高 刚度大并具有较高的固有振动频率 3 具有高的电阻率和较大的介电常数 4 具有较高的居里点 居里点高可以得到较宽的工作温度范围 5 压电特性不随时间蜕变 有较好的时间稳定性 1 石英晶体石英晶体有天然和人造两种类型 人造石英晶体的物理 化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别 因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体 它在几百摄氏度的温度范围内 压电系数不随温度而变化 石英晶体的居里点为573 即到573 时 它将完全丧失压电性质 它有很大的机械强度和稳定的机械性能 没有热释电效应 但灵敏度很低 介电常数小 因此逐渐被其他压电材料所代替 2 水溶性压电晶体这类压电晶体有酒石酸钾钠 NaKC4H4O6 4H20 硫酸锂 Li2SO4 H2O 磷酸二氢钾 KH2PO4 等 水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数 但易于受潮 机械强度也较低 只适用于室温和湿度低的环境下 3 铌酸锂晶体铌酸锂是一种透明单晶 熔点为1250 居里点为1210 它具有良好的压电性能和时间稳定性 在耐高温传感器上有广泛的前途 3 压电陶瓷这是一种应用最普遍的压电材料 压电陶瓷具有烧制方便 耐湿 耐高温 易于成形等特点 1 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡 BaTiO3 是由BaCO3和TiO2二者在高温下合成的 具有较高的压电系数和介电常数 但它的居里点较低 为120 此外机械强度不如石英 2 锆钛酸铅系压电陶瓷 PZT 锆钛酸铅是PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb Zr Ti O2 它具有较高的压电系数和居里点 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 3 铌酸盐系压电陶瓷钽铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数 铌酸钾的居里点为435 常用于水声传感器中 4 铌镁酸铅压电陶瓷 PMN 这是一种由Pb MgNb O3 PbTiO3 PbZrO3组成的三元系陶瓷 它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 4 压电半导体有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能 如ZnS CaS GaAs等 因此既可利用它的压电特性研制传感器 又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件 两者结合 可为新型传感器 5 高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后 有一定的压电性能 这就是高分子压电薄膜 目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2 聚氟乙烯PVF 聚氯乙烯PVC 聚 甲基 L谷氨酸脂PMG等 这是一种柔软的压电材料 不易破碎 可以大量生产和制成较大的面积 5 高分子压电材料 高分子压电薄膜及拉制 5 高分子压电材料 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 5 高分子压电材料 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 6 高分子压电材料 压电式脚踏报警器 二 压电元件的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 如下图所示 图a为并联接法 其输出电容C 为单片的n倍 即C nC U U Q nQ 图b为串联接法 这时有Q Q U nU C C n a b 在以上两种联接方式中 并联接法输出电荷大 本身电容大 因此时间常数也大 适用于测量缓变信号 并以电荷量作为输出的场合 串联接法输出电压高 本身电容小 适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合 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 8 3测量电路一 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 h为压电元件的厚度 A为压电元件极板面积 因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源 如下图a所示 也可以等效为 个电压源 如下图b所示 a 电荷源b 电压源 压电传感器与测量仪表联接时 还必须考虑电缆电容Cc 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 a 电压源 b 电荷源 压电传感器的完整等效电路 二 基本测量电路压电传感器的内阻抗很高 而输出的信号微弱 因此一般不能直接显示和记录 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作用 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 压电传感器的输出可以是电压信号 也可以是电荷信号 因此前置放大器也有两种形式 电压放大器和电荷放大器 1 电压放大器压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a所示 图b是简化后的等效电路 其中 ui为放大器输入电压 C CC Ci ua Q Ca a b 如果压电传感器受力为 F Fmsin t 则在压电元件上产生的电压为 式中 Um压电元件输出电压幅值Um dFm Ca d压电系数 而在放大器输入端形成的电压为 当 R Ci Ca Cc 1时 放大器的输入电压为 上式表明前置放大器输入电压Ui幅值与被测频率无关 当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时 将引起放大器输出电压的变化 因此 压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换 否则将引入测量误差 这表明压电传感器有很好的高频响应 但是 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 三 电荷放大器电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器 它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器 下图是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路 图中Cf 为放大器的反馈电容 其余符号的意义与电压放大器相同 如果忽略电阻Ra Ri及Rf的影响 则输入到放大器的电荷量为 Qi Q Qf式中 A为开环放大系数 所以有 故放大器的输出电压为 当A 1 而 1 A Cf Ci Ca Cc时 放大器输出电压可以表示为 由式中可以看出 由于引入了电容负反馈 电荷放大器的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 且与q成正比 电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计 因此 采用电荷放大器时 即使连接电缆长度在百米以上 其灵敏度也无明显变化 这是电荷放大器的最大特点 在实际电路中 CF的容量做成可选择的 范围一般为100 104pF 电荷放大器的灵敏度为 放大器的输出灵敏度取决于Cf 在实际电路中 是采用切换运算放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的 Cf越小则放大器的灵敏度越高 为了放大器的工作稳定 减小零漂 在反馈电容Cf两端并联了一反馈电阻 形成直流负反馈 用以稳定放大器的直流工作点 压电式传感器在测量低压力时线性度不好 主要是传感器受力系统中力传递系数非线性所致 为此 在力传递系统中加入预应力 这除了消除低压力使用中的非线性外 还可以消除传感器内外接触表面的间隙 提高刚度 特别是 它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉 压交变力及剪力和扭矩 5 4压电式传感器的应用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 一 5100系列压电式力传感器航天702所所研制生产的5100系列力传感器 是一种利用石英晶体的纵向压电效应 将 力 转换成 电荷 并通过二次仪表转换成电压的压电式力传感器 它具有气密性好 硬度高 刚度大 动态响应快等优点 目前 5110 5112 5114和5115力传感器已组成各种锤头 钢 铝 尼龙 橡胶 型测力锤 可以测量动态力 准静态力和冲击力 二 电荷型石英压力传感器西安宇恒电子有限公司生产的M112系列为发动机燃烧传感器 适用于发动机汽缸内压力测试 M119系列为高频 抗高冲击型 特别适用于榴弹炮 液体发射药武器的测试 是典型的军工产品 也可广泛应用于民用工业中 如发动机燃烧室压力测量等领域 三 压电式测力传感器压电式单向测力传感器的结构图如下图所示 主要由石英晶片 绝缘套 电极 上盖片及基座等组成 传感器上盖为传力元件 当其受到外力作用时 它将产生弹性变形 将力传递到石英晶片上 石英晶片采用xy切型 利用其纵向压电效应实现力 电转换 为了提高传感器的输出灵敏度 可以用两片或多片晶片粘结在一起 力传感器装配时必须加较大的预紧力 以保证良好的线性度 四 压电式加速度传感器组成 压电元件 质量块 预压弹簧 基座及外壳等 整个部件装在外壳内 并有螺栓加以固定 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的作用 根据牛顿第二定律 此惯性力是加速度函数 即F ma F 质量块产生的惯性力m 质量块的质量a 加速度 此时惯性力F作用于压电元件上 因而产生电荷q 当传感器选定后 m为常数 则传感器输出电荷为q d11F d11ma 与加速度a成正比 因此 测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小 1 YD型压电式加速度传感器压电式加速度传感器是一种常用的加速度计 它的主要优点是 灵敏度高 体积小 重量轻 测量频率上限较高 动态范围大 但它易受外界干扰 在测试前需进行各种校验 如YD型压电式加速度传感器就是典型的一种其外形如下图 有端面和侧面引出两种基本形式 它主要用于各种机械振动的测量 2 6100系列压电加速度计压电加速度计是以压电晶体做敏感件 体积小 重量轻 输出信号大 固有频率高 可用于测量振动 冲击等信号 其外形见下图主要性能指标见表6 4 五 压电式金属加工切削力测量图5是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图 由于压电陶瓷元件的自振频率高 因此特别适合测量变化剧烈的载荷 图中压电传感器位于车刀前部的下方 当进行切削加工时 切削力通过刀具传给压电传感器 压电传感器将切削力转换为点信号输出 记录下点信号的变化便可测得切削力的变化 图5压电式刀具切削力测量示意图 六 测加速度当传感器感受振动时 质量块感受惯性力的作用 质量块有一正比于加速度的交变力作用在压电片上 由于压电片压电效应 两个表面上就产生交变电荷 当振动频率远低于传感器的固有频率时 传感器的输出电荷 电压 与作用力成正比 亦即与试件的加速度成正比 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 输出电量由传感器输出端引出 输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度 如在放大器中加进适当的积分电路 就可以测出试件的振动速度或位移 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 此外还可以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 共振型压电式爆燃传感器共振型压电式爆燃传感器主要由插头 插接器 压电元件等组成 传感器中的压电元件紧密的贴合在振荡片上 振荡片固定在传感器的基座上 工作原理 振荡片随发动机的振荡而振荡 压电元件随振荡片的振荡而发生变形 进而在其上产生一个电压信号 当发动机爆燃时 气缸的振动频率与传感器振荡片的固有频率相符合 此时振荡片产生共振 压电元件将产生最大的电压信号 如下图所示 压电式雨滴传感器组成 振动板 压电元件 放大器 壳体及阻尼橡胶构成 振动板的作用是接收雨滴冲击能量 按自身固有的振动频率进行弯曲振动 并将振动传递给内侧压电元件上 压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压信号 当压电元件上出现机械变形时 在两侧的电极上就会产生电压 如下图所示 当雨滴滴落在振动板上时 压电元件上就会产生电压 电压大小与加到板上的雨滴的能量成正比 一般是0 5 300mV 放大器将压电元件上产生的电压信号放大后再输入到刮水器放大器中 压电式声传感器压电陶瓷在电能与机械能之间相互转换的正 逆压电效应 当交变信号加在压电陶瓷片两端面时 由于压电陶瓷的逆压电效应 陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短 当一定频率的声频信号加在换能器上时 换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形 由于压电陶瓷的正压电效应 压电陶瓷上将出现充 放电现象 即将声频信号转换成了交变电信号 这时的声传感器就是声频信号接收器 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 桥墩水下缺陷探测图示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图 通过放电炮的方式使水箱振动 激振器 桥墩将承受垂直方向的激励 用压电式加速度传感器测量桥墩的响应 将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪 再将记录下的信号输入频谱分析设备 经频谱分析后就可判定桥墩有无缺陷 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 自来水管道测漏 1 检测原理 如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点 振动声音从O点向管道两端传播 传播速度为V 在管道上A B两点放两只传感器 A B距离为L 已知或可测 从A B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA LA V 和tB LB