传感器与检测技术08章压电概要.ppt

第8章压电式传感器,8.1压电效应8.2测量电路8.3压电式传感器的应用,8.1压电效应,1.压电效应居里兄弟皮尔（P.Curie）与杰克（J.Curie）发现压电效应（piezoelectriceffect）。,某些电介质在机械应力作用下，产生形变，极化状态发生变化，致使表面带电，表面电荷密度与应力成正比，称为正压电效应。反之，施加外电场，介质内产生机械形变，应变与电场强度成正比，称为逆压电效应，或称作“电致伸缩效应”。,石英晶体,Z轴：光轴、中性轴；X轴：电轴；Y轴：机械轴,为什么产生压电效应？,石英晶体模型：,由于离子之间造成错位，电荷的平衡关系受到破坏，产生极化现象，使表面产生电荷。,压电陶瓷的极化处理,石英晶体切片上电荷极性与受力方向的关系,2.压电常数压电材料的性能常用压电常数来表征，式中，Q为压电元件受力产生的表面电荷，F为作用在压电元件上的力，d为压电常数。,（一）正压电效应压电常数是表征压电性能强弱的参数，不同材料具有不同的压电性能，同一材料在不同的受力方向，电荷产生的情况也不同。对于一定施力方向和一定的产生电荷表面而言，压电常数d是一个常数。,，j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度（即沿i方向的极化强度）；，沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应力；，压电常数，（j方向受力，在i方向产生电荷时的压电常数）。,X0切型石英晶体的压电常数矩阵，具体为:,石英晶体只有和两个独立常数。对于左旋石英：石英：和都是正值，数值不变。,（二）逆压电效应（k=1,2,3;h=1,2,3,4,5,6）式中，沿h方向的应变；沿k方向施加的电场。,实验结论：有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应，则此方向上必有逆压电效应。,逆压电效应得压电常数与正压电效应的压电常数数值是相等的，而且一一对应。一般情况下，逆压电效应中压电常数矩阵是正压电常数矩阵d的转置矩阵。,压电常数的物理意义是：在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。“短路条件”是指压电元件的表面电荷一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条件。压电常数有时也称压电应变常数。,3.压电材料分类常用的压电材料有：压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜和压电半导体。,压电晶体：石英晶体、水溶性压电晶体、铌酸锂晶体；石英晶体中x轴常称为电轴，y轴称为机械轴，z轴称为光轴。石英晶体沿z轴方向施加外力，不产生压电效应。,石英晶体的主要性能特点是：(1)压电常数小，时间和温度稳定性极好；(2)机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；(3)居里点573，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。,压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷。压电陶瓷的特点是：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。,常用的压电陶瓷传感器技术中应用的压电陶瓷，按其组成基本元素多少可分为：(1)二元系压电陶瓷主要包括钛酸钡BaTiO3，钛酸铅PbTiO3，锆钛酸铅系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和铌酸盐系列KNbO3-PbNb2O3。其中以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广。(2)三元系压电陶瓷目前应用的PMN，它由铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3钛酸铅PbTiO3-锆钛酸铅PbZrO3三成分配比而成。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。(3)综合性能更为优越的四元系压电陶瓷也已经研制成功。,压电薄膜：氧化锌、硫化镉、硫化锌、铌酸锂等；压电半导体：硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉、砷化镓等。,4.压电元件的结构形式压电元件有5种基本变形形式：厚度变形（TE方式）、长度变形（LE方式）、体积变形（VE方式）、厚度剪切变形、面剪切变形。,石英晶体没有体积变形压电效应。压电片在压电式传感器中，必须有一定的预应力，以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证输出电压与作用力成线性关系。这是考虑压电片加工过程的结果。,5.压电传感器的等效电路可以将压电式传感器看作一个静电电容器。因此，从性质上讲，压电器件实质上又是一个有源电容器，通常其绝缘电阻。,式中，S电容器极板面积；h压电元件厚度；压电材料的介电常数；真空的介电常数；压电材料的相对介电常数，随材料不同而变；压电元件的内部电容。,由此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源和一个电容的电荷等效电路。必须指出，上述等效电路及其输出，只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路(即Ra=RL=)条件下才成立。,压电式传感器测试系统的等效电路,8.2测量电路,1.测量电路测量电路：电压放大器、电荷放大器（1）电压放大器考虑电缆长度的影响；（2）电荷放大器不用考虑电缆的影响。,单路动态信号测量,两路动态信号测量,电压放大器的简化电路图,（1）电压放大器,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(b)可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为,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/01，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/03，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。,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R1，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。,电压幅值比和相角频率比的关系曲线,电荷放大器等效电路,（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A0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：,根据上式画出等效电路图,CF、RF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1A0)倍。电导1RF也增大了(1A0)倍。所以图中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，这就是所谓“密勒效应”的结果。,运放输入电压,输出电压,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1RFCF,则,若考虑电缆电容Cc，则有,可见当A0足够大时，输出电压与A0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。,运算放大器的开环放大倍数A0对精度有影响，当频率很高时，则及,由此得A0105。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,当工作频率很低时，分母中的电导1/Ra+(1+A0)/RF与电纳jCaCc(1+A0)CF的值相当，电导就不可忽略。此时A0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,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RF109。,USC与q间的相位误差,电荷放大器原理框图,2.外界温度和湿度瞬变温度对传感器的影响：除引起压电元件热释电效应外，还在传感器内部引起温度梯度，这一方面会产生热应力和寄生热电输出；另一方面也改变了预紧力和传感器的线性度。因此，在高温环境惊醒低电平信号测量时，必须采取以下措施：（1）取用剪切式、隔离基座型结构，或使用时采用隔离安装销。,（2）在压电元件受热冲击的一端设置有热导率小的材料做成的绝热片；或采用由大膨胀系统材料，陶瓷及铁镍青铜组合材料制成的温度补偿片，以实现高温下的结构等膨胀匹配，克服热力影响（3）采用水流式冷却装置环境湿度主要影响压电元件的绝缘电阻，使其明显下降。因此在高湿度环境中工作的传感器，必须选用高绝缘材料，并采取防潮密封措施。,3.安装差异和基座应变实际应用中对压电传感器安装的要求依据：传感器与试件系统的安装谐振频率传感器本身的固有频率传感器和被测试件的质量,（1）保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装而遭到破坏，以避免横向灵敏度的产生。为此，安装接触面要求有高的平行度，平直度和低的粗糙度。（2）根据承载能力和频响特性所要求安装谐振频率，选择适当的安装方式。（3）对刚度，质量和接触面小的试件，只能用微小型电传感器测量。,4.噪声（1）声噪声：压电传感器在强声中工作将受到声波振动激励而产生寄电信号输出，谓之声噪声。（2）电缆噪声：同轴电缆在振动或弯曲变形时电缆屏蔽层，绝缘层和芯线间将引起局部相对滑移摩擦和分离，而在分离层之间产生的静电感应电荷干扰，它将混入住信号中被放大。,减小电缆噪声的方法：一是在使用中固定好传感器的引出电缆二是选用低噪声同轴电缆（3）接地回路噪声：压电传感器接入二次测量线路或仪表而构成测试系统后，由于不同电位处的多接地点，形成了接地回路和回路电流所致。克服途径：消除接地回路,8.3压电式传感器的应用,1.压电式传感器的应用（1）压电式单向测力传感器（2）压电式压力传感器（3）压电式加速度传感器（4）压电式金属加工切削力测量（5）压电式玻璃破碎报警器,下图是压电式单向测力传感器的结构图，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，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，通过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的测力范围为050N，最小分辨率为0.01，固有频率为5060kHz，整个传感器重10g。,（1）压电式单向测力传感器,压电式压力传感器,（2）压电式压力传感器,消除振动加速度影响的压电式压力传感器的结构,下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。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，此惯性力是加速度的函数，即F=ma式中：F质量块产生的惯性力；m质量块的质量；a加速度。,（3）压电式加速度传感器,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。,压电式加速度传感器结构原理图,压电加速度传感器工作原理图,压电加速度传感器的幅值线性度曲线,横向灵敏度图解,压电加速度传感器的横向灵敏度极坐标曲线,下图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，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电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。,（4）压电式金属加工切削力测量,压电陶瓷传感器测量刀具切削力,BSD2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。BSD2压电式玻璃破碎