压电传感器演示幻灯片

第六章压电传感器与超声换能器,压电式传感器是一种有源（无需外加电源）的（发电型）双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器,6.1工作原理6.2压电材料6.3等效电路与信号调理电路6.4压电式传感器的应用,6.1晶体的压电效应,6.1.1晶体压电效应与压电材料某些电介质当其在适当的方向上施加作用力时，内部会产生电极化状态的变化，同时在电介质的两端出现符号相反的、与外力成正比的束缚电荷，这种由外力作用而导致的电介质带电的现象，称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的，即晶体在外电场的作用下要发生形变，这种效应称为反向（逆）压电效应。（电致伸缩效应）,晶体的压电效应可用下图来加以说明。图（a）是说明晶体具有压电效应的示意图。一些晶体当不受外力作用时,晶体的正负电荷中心相重合,单位体积中的电矩（即极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体形变时，正负电荷的中心发生分离，这时单位体积的电矩不再等于零，晶体表现出极性。图（b）中，一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。,晶体的压电效应(a)具有压电效应的晶体;(b)不具有压电效应的晶体,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，例如拉力、压力、加速度等。但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有工作响应频带宽、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。,天然形成的石英晶体外形,1石英晶体的压电效应（定性分析）,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，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。,Z,Y,X,b,l,石英晶体切片,h,双面镀银并封装,1石英晶体的压电原理（定性分析）天然结构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ZZ称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。,Z,X,(a),(b),石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系,Y,通常把沿电轴XX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YY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ZZ方向受力则不产生压电效应。,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-。,(b),(a),+,+,-,-,-,Y,X,X,Y,硅氧离子的排列示意图(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,+,当作用力FX=0时，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，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P30,当晶体受到沿X方向的压力（FX0,在Y、Z方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷,Y,+,+,+,-,-,-,X,(a)FX=0,P1,P2,P3,FX,X,Y,+,+,+,+,FX,(b)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。,实际情况下的前置放大器输入电压,1、/0=0时，输入(即压电元件的输出)为02、/0=1-3，输入随频率变化3、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（即传感器的输出电压）与作用力频率无关。一般认为f3，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。4.低频截止频率:,压电元件频率响应曲线,压电式传感器的3dB截止频率下限为一般情况下可实现fL1Hz，低频响应也较好。,当被测动态量变化缓慢（大多数生理信号），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。,因为R1，故上式可以近似为,可见，Su与回路电容成反比，增加回路电容必然使Su下降。为此常将Ra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。(与电荷放大器的主要区别),可见=0时S=0即压电传感器不能测量静态量,根据传感器电压灵敏度Su的定义得,题3.某压电传感器测量信号的最低频率f=1Hz，要求在1Hz时其幅值误差不超过5%，已知电压放大器输入回路总电容C=500pF，求该放大器输入回路的总电阻R。,解：,传感器的实际输出电压幅值与理想输出电压幅值之比,解得=3.04，将=2f及=RC带入上式可得R=968M,题4.已知电压放大器输入回路的总电阻为，总电容为用压电式加速度传感器测量1Hz的振动信号时，其幅值误差为多大？,解：,2、电荷放大器:输出电压与输入电荷成正比为改善压电传感器的低频特性，常采用电荷放大器。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U0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及放大器的电容Ci，则有,可见当A0足够大时，输出电压与A0无关，与电缆电容和频率无关，只取决于输入电荷Q和反馈电容CF，且与Q成正比，改变CF的大小便可得到所需的电压输出。在实际电路中，CF的容量做成可选择的，CF一般取值100-104pF。,解：,输出实际值：,例3.已知，若考虑的影响，当电荷放大器的时要求输出信号衰减不超过1%，求使用的电缆时的最大允许长度为多少？,输出理想值：,电缆最大长度：,电荷放大器的优缺点,采用电荷放大器时，电缆长度的影响可以忽略不计，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点,允许使用长电缆。但与电压放大器相比，价格高，电路复杂，调整比较困难。,6.4压电式传感器应用,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）,(自来水管道测漏)1、检测原理,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。,2、水漏探测仪设计,压电传感器的生物医学应用举例,心内导管微音器、血压计、医用超声换能器,基于PVDF压电膜传感器的脉象仪由于PDVF(聚偏氟乙烯)压电薄膜具有变力响应灵敏度高、柔韧易与制备，可紧贴皮肤等特点，因此可用人手指端大小的压电膜制成可感应人体脉搏压力波变化的脉搏传感器。脉象仪的硬件组成如图所示：,脉象仪的硬件组成,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,压电式纵跳训练分析装置,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，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区