压电传感器演示幻灯片

1,压电式传感器,是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，从而实现非电量测量。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，例如张力、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、重量轻等优点。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、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。,2,一、压电效应正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定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的现象。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,3,二、压电材料种类：压电晶体，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。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。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、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。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。,4,三、压电式传感器的测量电路（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，如图(a)。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，如图(b)。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,5,因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。,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，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。,6,如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。,压电传感器的完整等效电路,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,可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。,7,（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。1、电压放大器,8,图（b）中，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,9,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。,10,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。,11,2、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：,12,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,13,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。,14,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,15,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,16,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,17,四、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）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用,18,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Fma。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其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。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。,qd33Fd33ma,19,此式表明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。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。,20,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。,21,（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,22,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,23,（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的变化，测量声速随深度的分布情况,24,（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,25,力敏元件主要性能指标：压力范围1kPa灵敏度0.2V/P非线性度1F.S频率响应11000Hz标准工作电压4.5V（DC）扩充工作电压315V(DC)标准负载电阻2.2k扩充电阻1k12k外形尺寸12.77.6重量1.5集成压电传感器连线电路,26,（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）,1、检测原理,27,因为管道埋设在地下，看不到O点，也不知道LA和LB的长度，已知的是L和V，如果能设法求出t，则联立（1）+（2）得：LA=(L+tV)/2（3）或者将（1）-（2）得：LB=（L-tV）/2（4）关键是确定t，就可准确确定漏点O。如果从O点出发的是一极短暂的脉冲，在A、B两点用双线扫描同时开始记录，在示波器上两脉冲到达的时间差就是t。实际的困难在于漏水声是连续不断发出的，在A、B两传感器测得的是一片连续不断，幅度杂乱变化的噪声。相关检漏仪的功能就是要将这两路表面杂乱无章的信号找出规律来，把它们“对齐”，对齐移动所需要的时间就是t。,28,2、水漏探测仪设计,29,压力传感器信号采集处理系统,一、研究意义二、内容摘要三、硬件设计四、软件设计五、系统演示六、总结,30,一、研究意义,目前，在医疗器械领域有一种握力传感器系统，该系统主要用来检测病人的手部握力运动恢复程度，但市场价非常昂贵。通过对“压力传感器信号采集处理系统”稍做改造，即可实现握力测试系统功能，而且造价便宜，实现方便。压力传感器信号采集系统结合了单片机串口、LCD显示、RS232接口、VB6.0串口通信、信号放大系统、A/D模数转换等基础知识，系统可作为大学基础演示实验使用。,31,二、内容摘要,本文介绍了采集压力传感器信号的小型数据采集系统。压力传感器采集的信号经过模拟放大和A/D转换，产生适合单片机（AT89S52）处理的数字信号。单片机作为下位机，接收到压力传感器信号后把信号转换成相应压力值在LCD显示，并通过RS232与上位机PC进行串行通信，把数据发送到计算机实时显示并描绘出压力曲线。PC机上串行通信程序采用VB6.0开发，通过对MSComm控件和数据采集系统的研究，实现了在A/D串行转换芯片TLC549采集数据并放大，将数据真实值在LCD和PC机中形象显示。,32,三、硬件设计,3.1系统硬件框图如下：,33,3.2硬件实物图如下图所示：,5V电源,压力传感器,串行接口,ISP下载线,TLC549串行A/D转换,LCD下面是单片机,34,3.3TCL549与单片机电路接口图,如左图所示，由于TLC549为串行A/D芯片，它与单片机的接口电路只有三根，这对于简化硬件设计，缩小PCB尺寸很有好处。图中单片机P1.0与T