第5章压电式传感器

第五章压电式传感器,5.1压电效应,压电效应：某些单晶体或多晶体陶瓷电介质，当沿着一特定方向对其施力而使它产生机械变形时，其内部将产生极化现象，并在它的两个对应晶面上产生符号相反的等量电荷；当外力取消后，电荷也随之消失，晶体又重新恢复不带电状态,逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场(电压)作用时，这些电介质晶体会在一特定的晶轴方向上产生机械变形或机械压力；外加电场消失时，这些变形或应力也随之消失，此种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩现象,式中：qii面上的电荷密度(C/cm2)；Qii面上的总电荷量(C)；jj方向的应力(N/cm2)；Fjj方向的作用力；Dij材料的压电常数(C/N)，(i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6)。i表示晶体的极化方向，当产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z轴)时i=1(或2，3)j1，2，3，4，5，6，分别表示沿x轴、y轴、z轴方向的单向应力，和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面(yz平面、zx平面、xy平面)内作用的剪切力。dij的符号电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。,压电方程：压电材料在外力作用下产生的表面电荷通常用压电方程表示,晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定,压电材料的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示,纵向压电效应沿电轴XX方向的力作用下产生的压电效应横向压电效应沿机械轴YY方向的力作用下产生的压电效应沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。只在垂直于X轴的平面上积聚电荷,天然石英晶体外形,横向压电效应：当晶片作用力是沿着机械轴的方向时，晶片将产生宽度方向的变形,并发生极化的现象则为横向压电效应。其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，,根据石英晶体轴对称条件：d11=d12,产生压电效应时，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；事实表明，逆压电效应时两者也成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。此外，石英晶体在切向力作用下也会产生压电效应,(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影,2.石英晶体产生压电压电效应的机理,在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。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。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY0时，晶体的形变与FX1，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。,当CR无穷大，或者足够高时，,令n=1/=1/R(Ca+Cc+Ci)，n称为系统的固有频率,通常我们令=R(Ca+Cc+Ci)，称为测量回路的时间常数，,（1）=0时，Uim=0，说明压电传感器不能测静态量。（2）当CR1时，Uim与频率无关。这说明压电式传感器的高频响应相当好，这是压电式传感器的一个突出优点。（3）如果被测物理量是缓慢变化的信号（很小），为了满足CR1，必须尽量提高CR。但提高电容C会降低测试的灵敏度，所以可行的办法是提高负载电阻Ri.（4）为了满足阻抗匹配的要求，压电式传感器一般都采用专门的前置放大器。电压前置放大器（阻抗变换器）因其电路不同而分为几种型式，但都具有很高的输入阻抗（109以上）和很低的输出阻抗（小于102）。,2、电荷前置放大器,电荷放大器实际上是一种具有深度电容负反馈的高增益放大器，其等效电路如图所示。若放大器的开环增益A足够大，则放大器的输入端a点的电位接近于“地”电位；并且由于放大器的输入级采用了场效应晶体管，放大器的输入阻抗很高。所以放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近于放大器的输出电压电荷放大器能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此它也能起着阻抗变换的作用，其输入阻抗可高达10101012，而输出阻抗可小于100。,电荷放大器通常在反馈电容的两端并联一个大的反馈电阻Rf=1081010，其功能是提供直流反馈，以提高电荷放大器工作稳定性和减小零漂。压电式传感器与电荷放大器连接的基本电路如下,因此讨论如下。（1）当A足够大，且频率足够高时，满足(1+A)Cf（Ca+Cc），1/(1+A)Rf1/Ra，和Cf1/Rf，放大器输出电压即为,可见输出电压只取决于输入电荷Q和反馈电容Cf，改变Cf的大小即可得到所需的电压输出。在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测物理量的不同量程，以及后级放大器不致因输入信号太大而引起饱和，反馈电容Cf的容量是可调的，一般在100104pF范围之间,根据等效电路得放大器输出为,电荷放大器通常在反馈电容的两端并联一个大的反馈电阻Rf=1081010，其功能是提供直流反馈，以提高电荷放大器工作稳定性和减小零漂输出电压与反馈网络的元件参数Cf、Rf和传感器信号频率有关，其幅值为:,可变为:,（2）当放大倍数A足够大，但工作频率较低时，,当1/Rf=Cf时，有,此时放大器输出电压仅为高频时输出的，由此可得电荷放大器增益下降3dB的下限截止频率为:,以常常选用的,说明电荷放大器的低频响应也是十分良好的,低频时，输出电压与输入电荷之间的相位差为在截止频率fL处=45。,5.5压电式传感器的应用,5.5.1压电式加速度传感器,压电式加速度传感器是一种常用的加速度计，占所有加速度传感器的80以上。因其固有频率高，有较好的频率响应(几千赫至几十千赫)，如果配以电荷放大器，低频响应也很好(可低至零点几赫)。另外，压电式传感器体积小、重量轻。缺点是要经常校正灵敏度。,1结构和工作原理结构形式主要有压缩型、剪切型复合型。,1）压缩式,1.灵敏度电压灵敏度:电荷灵敏度:因为:所以:,由质量块上的力与加速度的关系:F=ma(N)以及:Q=d33F可知压电式加速度传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度:,不宜增大M来提高灵敏度,2.动态特性,输入量为被测加速度,输出量为质量块与被测物间的相对位移xm-x,当作用于质量块上的力平衡时，其动力学方程式:,而压电片表面所产生的电荷量与作用力成正比，即:,对于与电荷放大器配合使用的情况，传感器的低频响应受电荷放大器的3dB下限截止频率的限制。而一般电荷放大器的fL可低至0.3Hz甚至更低，因此当压电式传感器与电荷放大器配合使用时，低频响应很好，可以测量接近静态变化非常缓慢的物理量。,当,很小时，,振动频率上限取，在此区域，传感器的灵敏度基本不随频率变化而变化。由于传感器的固有频率相当高(一般可达30kHz甚至更高)，因此，它的测量频率上限可达几千赫，甚至达十几千赫。而压电式传感器的高频响应非常好。,压缩式的压电式加速度传感器的其它结构,(a)中央安装压缩式(b)隔离基座压缩式,(C)倒挂中心压缩型,2）剪切型与压缩式加速度传感器相比，剪切式加速度传感器是一种很有发展前途的传感器，并有替代压缩式的趋势。,(a)环形剪切式结构(b)扁环形剪切式结构,(c)H形剪切式结构(d)三角形剪切式结构,3）复合型,剪切压缩复合型,(a)断面图(b)X和Y方向加速度检测原理图(c)Z方向加速度检测原理图,一种压电式三向加速度传感器断面图,(2)组合一体化压电加速度传感器,（3）弯曲型压电加速度传感器,压电加速度传感器实物图,压电加速度传感器的安装及使用,a)双头螺丝固定b)磁铁吸附c)胶水粘结d)手持探针式1压电式加速度传感器；2双头螺栓；3磁钢；4粘接剂；5顶针,5.5.2压电式测力传感器,图示为一种单向测力传感器，它可用于机床动态切削力的测量。压电晶片为x切石英晶片，尺寸为81mm，上盖为传力元件，其变形壁的厚度为0.10.5mm，由测力范围决定，Fmax=5000N。绝缘套用来电气绝缘和定位。,压电式动态力传感器用于动态切削力的测量,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电传感器测量双腿跳的动态力,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,高分子压电材料的应用,1.玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引