力传感器4重点.ppt

1 第四节压电式传感器 一 压电效应二 压电材料三 压电式传感器的测量电路四 压电式传感器的应用 2 压电式传感器是一种典型的发电型传感器 以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 从而实现非电量测量 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 压电式传感器具有响应频带宽 灵敏度高 信噪比大 结构简单 工作可靠 重量轻等特点 概述 第四节压电式传感器 3 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 一 压电效应 第四节压电式传感器 这种现象称正压电效应 4 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 5 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 转化成电能也可以将电能 转化成机械能 第四节压电式传感器 正压电效应 逆压电效应 6 第四节压电式传感器 1 石英晶体的压电效应 Z X Y a b 石英晶体 a 理想石英晶体的外形 b 坐标系 石英晶体的理想外形是一个正六面体 在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示 其中纵向轴Z Z称为光轴 经过正六面体棱线 并垂直于光轴的X X轴称为电轴 与X X轴和Z Z轴同时垂直的Y Y轴 垂直于正六面体的棱面 称为机械轴 7 第四节压电式传感器 石英晶体具有压电效应 是由其内部结构决定的 组成石英晶体的硅离子Si4 和氧离子O2 在Z平面投影 如图 a 为讨论方便 将这些硅 氧离子等效为图 b 中正六边形排列 图中 代表Si4 代表2O2 8 晶体沿X方向将产生收缩 电偶极矩在X方向的分量为 P1 P2 P3 X 0 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0即在X轴的正向出现正电荷 在Y Z轴方向则不出现电荷 第四节压电式传感器 c FX 0 正 负离子 即Si4 和2O2 正好分布在正六边形顶角上 形成三个互成120 夹角的偶极矩P1 P2 P3 电偶极矩的矢量和等于零 即P1 P2 P3 0 P1 P2 P3 X 0 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0 即在X轴的正向出现负电荷 在Y Z轴方向则不出现电荷 结论 当晶体受到沿X 即电轴 方向的力FX作用时 它在X方向产生正压电效应 而Y Z方向则不产生压电效应 9 当晶体在Y轴方向力FY作用时 当FY 0时 晶体的形变与在X轴方向力FX 0相似 当FY 0时 则与在X轴方向力FX 0相似 可见 晶体在Y 即机械轴 方向的力FY作用下 使它在X方向产生正压电效应 在Y Z方向则不产生压电效应 如果沿Z轴方向上施加作用力FZ 因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正变形完全相同 所以 正 负电荷中心保持重合 电偶极矩矢量和等于零 表明 沿Z 即光轴 方向加作用力FZ晶体不产生压电效应 10 第四节压电式传感器 晶体切片 从石英晶体上沿轴线切下的平行六面体薄片 当晶片受到沿X轴方向的压力FX作用时 晶体切片厚度t将产生变形 并在与X轴垂直的平面上产生电荷QXX 即 11 压电效应结论 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 之间呈线性关系 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 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的 通常把沿电轴X X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 纵向压电效应 而把沿机械轴Y Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 横向压电效应 沿光轴Z Z方向受力则不产生压电效应 12 1 种类 石英晶体 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 高分子压电材料 聚二氟乙烯等 2 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 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 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 二 压电材料 13 一 石英晶体石英是一种具有良好压电特性的压电晶体 其介电常数和压电系数的温度稳定性好 在20 200 范围内 温度每升高1 压电系数仅减少0 016 但是当到573 时 压电特性完全失去 这就是它的居里点 石英晶体的突出优点是性能非常稳定 机械强度高 绝缘性能好 但价格昂贵 且压电系数低 因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中 14 二 压电陶瓷1 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡 BaTiO3 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 2 锆钛酸铅系压电陶瓷 PZT 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 15 三 压电半导体1968年出现了多种压电半导体材料 如硫化锌 碲化镉 氧化锌 硫化镉 碲化锌和砷化镓等 特点 既有压电特性 又有半导体性质 因此 可研制压电传感器 也可制作半导体电子器件 还可将二者结合 研制新型集成压电传感器 这种力敏器件具有灵敏度高 响应时间短等优点 此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料 还可测温度等参数 四 高分子压电材料高分子压电薄膜 是某些高分子聚合物经延展和拉伸以及电场极化后具有压电性能的材料 如聚二氟乙烯优点 耐冲击 不易破碎 稳定性好 频带宽 高分子压电陶瓷薄膜 是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末制成的 这种复合材料保持了高分子压电陶瓷薄膜的柔软性 又具有较高的压电系数 16 一 等效电路当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时 在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷 可把压电传感器看成一个静电发生器 也可把它视为两极板上聚集异性电荷 中间为绝缘体的电容器 其电容量为 q q 电极 压电晶体 Ca b a 压电传感器的等效电路 当两极板聚集异性电荷时 则两极板呈现一定的电压 其大小为 三 压电式传感器的测量电路 17 压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联 等效电容 第四节压电式传感器 q Ca Ua Ua q Ca q UaCa Ca a 电压等效电路 b 电荷等效电路压电传感器等效电路 18 第四节压电式传感器 压电传感器的完整等效电路 压电式传感器不适合于静态参数测量 Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻 19 二 测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用 把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出 放大压电式传感器输出的弱信号 前置放大器形式 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 电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 第四节压电式传感器 20 1 电压放大器 电压放大器等效电路示意图 第四节压电式传感器 21 设 等效电阻R为 Fm 作用力的幅值 压电元件所受作用力 C Cc Ci 而 等效电容为 若压电元件材料是压电陶瓷 其压电系数为d33 则在外力作用下 压电元件产生的电压值为 Um 电压幅值 由图可得放大器输入端的电压Ui 其复数形式为 22 Ui的幅值Uim为 输入电压与作用力之间的相位差 为 令 R Ca Cc Ci 为测量回路的时间常数 并令 0 1 则可得 可见 如果 0 1 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Uim与频率无关 一般认为 0 3 可近似看作输入电压与作用力频率无关 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 23 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 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 24 2 电荷放大器电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器 其基本电路如图 若放大器的开环增益K足够大 并且放大器的输入阻抗很高 则放大器输入端几乎没有分流 运算电流仅流入反馈回路CF与RF 由图可知i的表达式为 25 根据上式画出等效电路图 A Ca Ra R C USC U q CF RF等效到A的输入端时 电容CF将增大 1 K 倍 电导1 RF也增大了 1 K 倍 所以图中C 1 K CF 1 R 1 K 1 RF 这就是所谓 密勒效应 的结果 运放输入电压 输出电压 26 当K足够大时 传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出 因此输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF 由于1 RF CF 则 若考虑电缆电容Cc 则有 可见当K足够大时 输出电压与K无关 只取决于输入电荷q和反馈电容CF 改变CF的大小便可得到所需的电压输出 CF一般取值100 104pF 27 运算放大器的开环放大倍数K对精度有影响 当频率很高时 则及 由此得K 105 对线性集成运算放大器来说 这一要求是不难达到的 例 Ca 1000pF CF 100pF Cc 100pF m 100m 105pF 当要求 1 时 则有 则可计算产生的误差为 28 当工作频率 很低时 分母中的电导 1 Ra 1 K RF 与电纳j Ca Cc 1 K CF 的值相当 电导就不可忽略 此时K足够大 则其幅值为当1 RF CF时可见这是截止频率点的输出电压 增益下降3dB时对应的下限截止频率为 29 可见压电式传感器配用电荷放大器时 其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数RF和CF 其中CF的大小可以由所需要的电压输出幅度决定 所以当给定工作频带下限截止频率fL时 反馈电阻RF值也可确定 如当CF 1000pF fL 0 16Hz时 则要求RF 109 USC与q间的相位误差 30 总结 压电传感器不能测量静态物理量 当 3时 输入与信号频率无关 高频响应特性好 提高低频响应的办法是增大测量回路时间常数 但不能靠输入电容 实际办法是增大前置输入回路电阻 所以电压放大器响应差 要求前置电路具有高输入阻抗 从传感器电压灵敏度Ku可见 连接电缆的分布电容Cc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 第四节压电式传感器 31 七 压电式传感器的应用 一 压电式加速度传感器 二 压电式压力传感器 三 压电式流量计 四 集成压电式传感器 五 压电传感器在自来水管道测漏中的应用 六 超声应用 32 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 1 3 4 5 纵向效应型加速度传感器的截面图 一 压电式加速度传感器结构 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 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 d33F d33ma 33 连接方式 图 a 为并联形式 片上的负极集中在中间极上 其输出电容C 为单片电容C的两倍 但输出电压U 等于单片电压U 极板上电荷量q 为单片电荷量q的两倍 即图 b 为串联形式 正电荷集中在上极板 负电荷集中在下极板 而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消 从图中可知 输出的总电荷q 等于单 片电荷q 而输出电压U 为单片电压U的二倍 总电容C 为单片电容C的一半 即 a 并联 b 串联 叠层式压电元件 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 34 二 压电式压力传感器根据使用要求不同 压电式测压传感器有各种不同的结构形式 但它们的基本原理相同 压电式测压传感器的原理简图 它由引线1 壳体2 基座3 压电晶片4 受压膜片5及导电片6组成 当膜片5受到压力P作用后 则在压电晶片上产生电荷 在一个压电片上所产生的电荷q为 F 作用于压电片上的力 d11 压电系数 P 压强 S 膜片的有效面积 1 2 3 4 5 6 p 压电式测压传感器原理图 35 测压传感器的输入量为压力P 如果传感器只由一个压电晶片组成 则根据灵敏度的定义有 因为 所以电压灵敏度也可表示为U0 压电片输出电压 C0 压电片等效电容 电荷灵敏度 电压灵敏度 电荷灵敏度 36 三 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 37 四 集成压电式传感器是一种高性能 低成本动态微压传感器 产品采用压电薄膜作为换能材料 动态压力信号通过薄膜变成电荷量 再经传感器内部放大电路转换成电压输出 该传感器具有灵敏度高 抗过载及冲击能力强 抗干扰性好 操作简便 体积小 重量轻 成本低等特点 广泛应用于医疗 工业控制 交通 安全防卫等领域 脉搏计照片 典型应用 脉搏计数探测 按键键盘 触摸键盘 振动 冲击 碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换 动态力检测等 38 力敏元件主要性能指标 压力范围 1kPa灵敏度 0 2 V P 非线性度 1 F S频率响应1 1000Hz标准工作电压4 5V DC 扩充工作电压3 15V DC 标准负载电阻2 2k 扩充电阻1k 12k 外形尺寸 12 7 7 6重量 1 5 39 五 压电式传感器在自来水管道测漏中的应用 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 V 两者时间差为 t tA tB LA LB V 1 又L LA LB 2 L A B O点 LA LB 地面 1 检测原理 40 因为管