第5章-压电式传感器..ppt

1 压电式传感器是一种典型的有源传感器 或发电型传感器 它以某些电介质的压电效应为基础 在外力作用下 在电介质的表面上产生电荷 从而实现非电量电测的目的 压电传感元件是力敏感元件 所以它能测量最终能变换为力的那些物理量 例如力 压力 加速度等 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 质量轻等优点 近年来 由于电子技术的飞速发展 随着与之配套的二次仪表以及低噪声 小电容 高绝缘电阻电缆的出现 使压电传感器的使用更为方便 因此 在工程力学 生物医学 电声学等许多技术领域中 压电式传感器获得了广泛的应用 触觉传感器 加速度传感器 2 5 1压电效应 压电效应 沿着一定方向对某些电介质施力而使它变形时 其内部就产生极化现象 在它的两个表面上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 逆压电效应 电致伸缩效应 在电介质的极化方向施加电场 这些电介质产生变形 具有压电效应的物质如天然形成的石英晶体 人工制造的压电陶瓷 锆钛酸铅等 天然石英晶体 人工制造的压电陶瓷 3 一 石英晶体压电效应 5 1压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体 石英晶体的坐标系 Z轴 也叫光轴 经过正六面体棱线 X轴 也叫电轴 垂直于正六面体的棱边 Y轴 也叫机械轴 垂直于正六面体的棱面 a 正负电互相平衡 外部没有带电现象 b X向压缩 表面A上呈现负电荷 B表面呈现正电荷 纵向压电效应 横向压电效应 c Y向压缩 在A和B表面上分别呈现 负电荷 4 从石英晶体上切下一片平行六面体 晶体切片 使它的晶面分别平行于X Y Z轴 如右图所示 并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面 石英晶体切片 5 1压电效应 5 5 1压电效应 当晶片受沿电轴 X轴 的压力Fx作用时 厚度变形 极化现象 PXX 极化强度 XX 应力FX 沿晶轴X方向施加的压缩力 d11 压电系数 与受力方向有关 l b 石英晶片的长度和宽度qX 垂直于X轴平面上电荷 极间电压 CX 电极面间电容 X轴平面上电荷 6 5 1压电效应 当晶片受沿机械轴 Y轴 的压力Fy作用时 电荷仍在与X轴垂直平面上出现 电荷的大小为 其中 d12 石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数 d11 d12t 晶片厚度 X轴平面上电荷 极间电压 7 5 1逆压电效应 晶体在外电场的作用下 内部正负电荷的重心会发生位移 这一极化位移又会导致晶体发生形变 即在压电体表面形成上正 下负的电场时 压电体在长度方向便会伸张 反之 若在压电体上 下表面施加反向电场 则压电体在长度方向就会收缩 当对压电体施加交变电场时 在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动 t d11UX 其中 EX X轴方向的电场强度 8 由上述可知 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 正压电效应存在 逆压电效应必存在 反之而不对 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的 5 1压电效应 9 5 2压电材料 应用于压电式传感器中的压电材料主要有两种 一种是压电晶体 如石英等 另一种是压电陶瓷 如钛酸钡 锆钛酸铅等 对压电材料要求具有以下几方面特性 转换性能 要求具有较大压电常数 机械性能 压电元件作为受力元件 希望它的机械强度高 机械刚度大 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 10 一 石英晶体 石英在高温下相对介电常数的温度特性 石英的d11系数相对于20oC的d11随温度变化特性 5 2压电材料 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相当好 在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化 优点是性能非常稳定 机械强度高 绝缘性能也相当好 缺点是价格昂贵 且压电系数比压电陶瓷低得多 因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中 11 二 压电陶瓷 5 2压电材料 压电陶瓷由于具有很高的压电系数 因此在压电式传感器中得到广泛应用 压电陶瓷主要有以下几种 一 钛酸钡压电陶瓷由碳酸钡 BaCO3 和二氧化钛 TiO2 按1 1克分子比例混合后充分研磨成型 经高温1300 1400oC烧结 然后再经人工极化处理得到的压电陶瓷 优点 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 缺点 居里温度低 120oC 温度稳定性和力学强度不如石英晶体 二 锆钛酸铅系压电陶瓷 PZT 由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb Zr Ti O3 优点 与钛酸钡相比 压电系数更大 居里温度在300oC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他微量元素 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 12 表5 2常用压电材料的主要特性 13 5 3压电式传感器的测量电路一 等效电路 压电传感器的等效原理 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 因此 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 电容量为 式中S 极板面积 m2 t 晶体厚度 m 压电晶体的介电常数 F m r 压电晶体的相对介电常数 0 真空介电常数 0 8 85 10 12F m 电压大小为 式中q 板极上聚集的电荷电量 C Ca 两极板间等效电容 F Ua 两极板间电压 V 14 b 电荷等效电路 5 3压电式传感器的测量电路一 等效电路 a 电压等效电路 15 5 3压电式传感器的测量电路一 等效电路 压电晶体不适合静态测量 由等效电路可知 只有传感器内部信号电荷无 漏损 外电路负载无穷大时 压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存下来 否则电路将以某时间常数按指数规律放电 传感器内部不可能没有泄漏 外电路负载也不可能无穷大 外力以较高频率不断地作用 传感器的电荷才能得以补充 压电晶体可用于动态测量 16 将压电传感器和测量仪器连接时 考虑 连接导线的等效电容 电阻 前置放大器的输入电阻 输入电容的完整电荷等效电路 5 3压电式传感器的测量电路一 完整等效电路 Ca 传感器的电容Ci 前置放大器输入电容Cc 连接导线对地电容Ra 包括连接导线在内的传感器绝缘电阻Ri 前置放大器的输入电阻 从等效电路看来 压电传感器的绝缘电阻Ra 前置放大器的输入电阻Ri 绝缘电阻Ra 时间常数 17 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 一 电压放大 传感器输出为电压信号 前置放大器把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出 其中 Fm 作用力的幅值 18 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 一 电压放大 前置放大器输入端的电压Ui Ui的幅值Uim为 输入电压与作用力之间的相位差 19 若 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 可以近似看做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 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 一 电压放大 令 R Ca Cc Ci 为测量回路的时间常数 并令 0 1 则可得 但当被测动态量变化缓慢 而测量回路时间常数不大时 就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 20 电压灵敏度 因为 R 1 故上式可以近似为 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 一 电压放大 Ku与回路电容成反比 增加回路电容 Ku 因此常将输入内阻Ri很大的前置放大器接入回路 而不是增加电容值 当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时 Cc将改变 Uim也随之变化 从而使前置放大器的输出电压USC AUim也发生变化 A为前置放大器增益 因此 在使用时 如果改变电缆长度 必须重新校正灵敏度值 21 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器 电荷放大器原理电路图 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 二 电荷放大 压电传感器接至电荷放大器的等效电路图 C 1 A0 CF 1 R 1 A0 RF 22 若考虑电缆电容Cc 则有 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 二 电荷放大 当A0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 有 23 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 二 电荷放大 可见当A0足够大时 输出电压只取决于输入电荷q和反馈电容CF 改变CF的大小便可得到所需的电压输出 1 分析用近似误差与运放放大倍数的关系 24 例 若Ca 1000pF CF 100pF Cc 100pF m 100m 104pF 当要求 1 时 则有由此得A0 104 对线性集成运算放大器来说 这一要求是不难达到的 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 二 电荷放大 近似误差 这里USC不考虑电阻的影响 即 25 当工作频率 很低时 分母中的电导 1 Ra 1 A0 RF 与电纳j Ca Cc 1 A0 CF 相比不可忽略 此时电荷放大器的输出电压USC就成为一复数 其幅值和相位都将与工作频率 有关 即 5 3压电式传感器的测量电路二 测量电路 二 电荷放大 2 分析用近似误差与工作频率 的关系 3dB截止频率为 相位误差 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 26 5 4压电式传感器的应用 一 压电式加速度传感器 一 结构原理压电式加速度传感器结构一般有纵向效应型 横向效应型和剪切效应型三种 纵向效应型最常见 如下图 纵向效应型加速度传感器的截面图 压电陶瓷和质量块为环型 通过螺母对质量块预先加载 使之压紧在压电陶瓷上 测量时将传感器基座与被测对象牢牢地紧固在一起 输出信号由电极引出 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 此力为F ma 惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 压电陶瓷 质量块 螺母 基座 电极 27 a 为并联形式 片上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q