第7章压电式传感器吴建平.doc

第7章压电式传感器吴建平 传感器原理及应用第第7章压电式传感器传感器原理及应用第77章压电式传感器主要内容7.1压电效应7.2压电材料7.3等效电路与测量电路7.4压电式传感器的应用传感器原理及应用第77章压电式传感器概述?压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的发电型传感器.?压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 传感器原理及应用第77章压电式传感器概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号传感器原理及应用第77章压电式传感器7.1压电效应?自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非对称两大类，其中非中心对称的有21种，20种具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。 ?某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会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；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变;这种现象称压电效应。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.1压电效应?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”。 ?压电元件可以将机械能电能也可以将电能机械能压电元件机械能电能传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体?自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。 ?压电材料可以分为两类压电晶体、压电陶瓷。 石英晶体外形结构?石英晶体特征天然、人工晶体两种都属于单晶体化学式为SiO22外形无论再小都呈六面体结构沿各个方向的特征不同（按特定方向切片）沿X X（电轴）作用产生电荷称纵向压电效应沿Y Y（机械轴）.横向压电效应沿Z Z（光轴）不产生压电效应传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体单晶体（水晶）压电晶片按特定方向切片人工合成水晶传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体?压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）?压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d d为压电系数（为常数）?在X X轴方向施力时,产生电荷大小为:d d11纵向压电系数，11为X X方向应力?在Y Y轴方向施力时,产生电荷大小为:d d12横向压电系数，22为Y Y方向应力?根据晶体的对称性，压电系数d d12=-d d11a a、b b是晶体切片几何尺寸(长、厚)由拉力还是压力决定q qx x、q qy y符号。 Q dF?111xq d?122ybq da?传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体?石英晶体的上述特征与内部分子结构有关?当晶体不受力时F=00，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩互成12000夹角，矢量和为零，晶体呈中性；?当晶体受沿X X轴方向的应力时，X X方向压缩形变，电偶极矩在X X轴方向的分量由于出现上负下正电荷；123P P P?123123,()0P P P P P P?传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体?当晶体受沿Y Y轴方向的应力时，Y Y方向压缩形变，电偶极矩在X X轴方向的分量由于出现上正下负电荷；?晶体受沿Z Z轴方向的应力时X X、Y Y方向形变相同不产生压电效应；?应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。 123123,()0PPPPPP?传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.1石英晶体石英晶体压电模型传感器原理及应用第77章压电式传感器动画演示石英晶体压电模型动画演示传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.2压电陶瓷（多晶体）?压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。 ?无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消呈中性。 ?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。 外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.2压电陶瓷（多晶体）?外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。 所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.2压电陶瓷（多晶体）?晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）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，电荷密度33q d?d d33压电陶瓷的纵向压电常数，d d33比d d 11、d d12大的多?所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。 随时间延长（22年后）d d33会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.3新型压电材料?石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。 ?而新型合成高分子材料，PVF聚氟乙烯、PVF2聚偏二氟乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。 灵敏度比PZT（压电陶瓷）大17倍倍。 ?压电半导体材料具有压电特性，又有半导体特性，可研制集成压电传感器系统。 这些材料有(ZnS)(CdTe)(ZnO)(CdS)(GaAs)传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.3新型压电材料聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯压电效应压电效应?而这些新型合成材料的分子链中C CF F键具有极性，有一定的偶极矩，通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应。 必须经过拉伸、极化过程，特殊处理才会具有良好的压电效应。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2.4压电元件主要参数性能?性能参数压电常数；介电常数（高）；弹性常数；机械耦合系数；工作温度。 ?锆钛酸铅（压电陶瓷PZT）是一种性能优越的压电陶瓷，是目前最普遍使用的压电材料。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.2压电材料7.2.5压电元件结构形式?在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。 由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时,2,2CC U U Q Q?U+_+_+_?按+-+-粘贴时电路串联电压增加一倍适用于电压放大器2,2,C CQ QU U?按+-+粘贴时电路并联电荷增加一倍适用于电荷放大器+_+_U+_+传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.1压电传感器等效电路Q dF?压电传感器可视为电荷源/aU Q C?aSCd?aQ CU?/aU QC?视为电荷输出时可等效为电荷源Q Q和电容Ca并联，开路状态输出端电荷为?视为电压输出时可等效为电压源U U与电容Ca串联，开路状态输出端电压为电容极板上聚集电荷时，极板间有电压存在,电压大小与极板间电荷成正比可以看成具有+、-极性的电容器；等效为一个Ca的电容器传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.1压电传感器等效电路等效电压源等效电荷源?传感器接测量电路时还要考虑以下主要因素电缆等效电容C C c c、接入电路的输入电容C C i i、放大器输入电阻R R i i、传感器漏电电阻R Ra a。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.1压电传感器等效电路?根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种uUKF?qQKF?quaKKC?q uaK K C?等效电压源等效电流源aQUC?根据它们之间的关系有电压灵敏度电荷灵敏度传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.1压电传感器等效电路?压电元件内阻很高，需要前置电路有高的输入阻抗。 ?压电元件输出可以是电压源也可以是电荷源。 因此，前置放大器也有两种形式电压放大器、电荷放大器?由等效电路可见，只有在负载R RL L时（无漏电）受力产生的电荷才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时必须保证R RL L很大，即时间常数R RL LC C a a=大。 ?前置电路有两个作用一是放大微弱的信号、二是阻抗变换传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路?/,/a ia ic i i aR R R R R C C C uQC?电阻电容，而 （11）电压放大器（阻抗变换器）电压放大器及等效电路示意图?如果压电元件为正弦作用力变化sinmF Ft?电压放大器的输入端传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路sinma adFQu tC C?()mima c idFUC C C?理想情况输入电压幅值222()1()mima cidF RURC C C?放大器输入电压的复数形式输入的实际幅值（有效值）()arctan()2a ciC C C R?()1a ciR C C C?当时（即）d压电系数信号频率R=Ra/Ri相位差?产生的电荷与电压也按正弦变化:1()mia cidF jRUj RC C C?&传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路?传感器电压灵敏度imum a c iUdKF C C C?222()()()1()im a c iimac iURC C CURC C C?前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为令前置放大器输入回路的时间常数为()aciR C C C?12()()1()imimUKU?1tan()2? (9070)?o o相对幅频特性和相频特性分别为()mima cidFUC C C?222()1()mima cidF RURC C C?理想实际传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路?电压放大器讨论?压电传感器不能测量静态物理量；?一般认为当33时输入电压与信号频率无关，高频响应特性好，优点；?提高低频响应的办法是增大,R RL LC C a a=但不能靠输入电容Ca,因为电压灵敏度与电容成反比。 实际是增大前置输入回路电阻R Ri i。 12()()1()imimUKU?quaKKC?imum ac iUdKF C C C?从电压灵敏度K Ku u可见，连接电缆的分布电容C Cc c影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路?R R 11、R R22分压经R Rg耦合作场效应管偏置。 ?观察R Rg g两端电压，信号到经C C11耦合到R Rg g的A A端，由于场效应管跟随作用，使S S（源）G G（栅）间电压大小近似相等、相位相同。 ?信号经CC22耦合到R Rg g的B B端，这时R Rg g两端电压近相等，R Rg g上的电流很小，意味着场效应管输入阻抗并没有因分压电路而降低。 ?电压放大器实例用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举反馈电路（跟随器）阻抗变换电路传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路?为解决电缆分布电容CCc c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，集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。 ?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。 利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。 （22）电荷放大器qQKF?传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路0cffQU UC?理想情况输出电压为?压电传感器的输入电路由一个反馈电容CC f f和高增益运算放大器构成。 ?因运放输入端RRii阻抗高，几乎无分流，可忽略RRa a/Rii并联,输入只对CCf f充电。 （22）电荷放大器传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路?由运放特性可求得电荷放大器输出电压0fQUC?可认为电荷放大器满足理想条件?110()f ac iK CCCC?当满足K1（K=10441088）通常:Ca=几十pf Cc c=100pf/m CCf=102-108pf K1055满足（1+K）CCf f10(Caa+Cii+Cc c)0 (1)ia ci fQU U KKCC CCCKC?电荷放大器及等效电路0 (1)aci fKQUCCCKC?输出电压与输入电荷量成正比传感器原理及应用第77章压电式传感器7.3等效电路与测量电路7.3.2测量电路0fQUC?电荷放大器的输出电压UU00只取决于输入电荷量Q Q和反馈电容CCf f，输出电压与电缆电容CC无关，与QQ成正比，与电容CCf f成反比，这是电荷放大器的突出优点。 ?考虑不同量程因素，CCf f的容量做成可以选择的电容，一般为1001044pF。 使用电荷放大器时，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。 ?缺点是电路复杂、价格昂贵。 0(),mim imacidFUU KUCCC?电荷放大器讨论由电压放大器的输出电荷放大器的输出传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用11压电晶体振荡器；2.压电式测力传感器33压电加速度计传感器；4.振动测量；55压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；6.新型压电材料（聚偏二氟乙烯）压电元件符号传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用?压电陶瓷片有22引脚和33引脚，其中两引脚方式是将铜片作为一个电极，两片陶瓷片的涂银面用引线连接起来作为另一个电极。 压电陶瓷片传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用压电式压力传感器?具有加速度补偿的压电式压力传感器，压电晶体被夹在两块膜片之间，压电晶体在振动时受到两个膜片上同方向的力，使压电晶片无电荷输出。 但灵敏度低一半。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用压电式加速度传感器传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用压电式玻璃破碎报警器玻璃破碎时会发出十几千赫至超声波的震动。 将高分子压电薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到这一震动，并将电压信号传送给报警系统。 传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用超声波传感器振动式液位开关振动式液位开关压电加速度计压电元件产品传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用点火器晶体传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。 而PVF2材料能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。 PVF2高分子聚偏二氟乙烯是一种良好的热塑性工程塑料，密度小、柔性好，有较高的压电效应，比石英十倍，压电陶瓷低十倍。 材料轻柔可按需要切割成薄片，可植入人体。 PVF2压电膜硬币铜柱投币计数传感器传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用?压电膜话筒?话筒中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张力。 ?在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压电信号。 压电膜话筒结构示意图PVF2压电膜絮状材料垫声压传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用?人体生理量测量?如血压、心音、脉搏等体内和体表检测是PVF2最有前景的场合。 ?柔软、无毒、化学性能稳定，可与血液直接接触。 68mm检测区（接收）激振（发射）公共电极F PVF胎儿心音换能器传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用?引信由压电元件和起爆装置两部分组成，压电元件安装在弹丸的头部，起爆装置在弹丸的尾部，通过引线连接。 压电元件R ES ab炸药压电元件导线起爆装置破甲弹上的压电引信结构药型罩?压电引信?压电引信是利用压电元件制成的弹丸起爆装置。 触发度高、安全可靠、不需要安装电源系统，常用于破甲弹上。 对弹丸的破甲能力起着极重要的作用。 电电雷雷管管传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用?原理?平时E（电雷管）处于短路保险安全状态，压电元件即使受压，产生的电荷会通过电阻放掉，不会触发雷管。 ?而弹丸一旦发射起爆装置解除保险状态，开关S从b处断开与与a接通，处于待发状态。 ?当当弹丸与装甲目标相遇时，碰撞力使压电元件产生电荷，通过导线将电信号传给电雷管使其引爆，并引起弹丸爆炸，能量使药型罩融化形成高温高速的金属流将钢甲穿透。 压电元件R ES ab炸药压电元件导线起爆装置破甲弹上的压电引信结构药型罩电电雷雷管管传感器原理及应用第77章压电式传感器7.4压电传感器的应用?压电传感器测振动?对于多功能转子实验台底座的振动，可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。 ?将带有磁座的加速度和速