传感器课件6章压电式传感器

1、2021/2/111 2021/2/112 6.1.1 压电效应压电效应 在离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力在离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力 而产生而产生形变形变时时,就会引起它内部的正负电荷中心相对就会引起它内部的正负电荷中心相对 转移而产生电的转移而产生电的极化极化,从而导致其两个相对表面（极从而导致其两个相对表面（极 化面）上出现符号相反的化面）上出现符号相反的束缚电荷束缚电荷Q且其且其电荷密度电荷密度 与外应力张量与外应力张量T T成正比成正比: : 为压电常数矩阵d dT 当外力消失当外力消失,又恢复不带电状态又恢复不带电状态;当外力当外力方向改变方向改变 ,电荷电

2、荷极性随之改变极性随之改变。这种现象称为正压电效应。这种现象称为正压电效应,简称简称 压电效应压电效应。 2021/2/113 逆压电效应逆压电效应 若对上述电介质施加若对上述电介质施加电场作用电场作用时时,同样会同样会引起它引起它 内部的正负电荷中心相对转移而导致电介质内部的正负电荷中心相对转移而导致电介质产生形变产生形变, 且其应变且其应变S与外电场强度与外电场强度E成正比成正比: 的转置矩阵为逆压电常数矩阵，是dd EdS t t 这种现象称为这种现象称为逆压电效应逆压电效应,或称或称电致伸缩电致伸缩。 可见可见,具有压电特性的电介质具有压电特性的电介质(压电材料压电材料)能实现能实现

3、机电机电能量的相互转换能量的相互转换 F 压电效应压电效应 压电晶体压电晶体 2021/2/114 当力的方向改变时当力的方向改变时,电荷的极性随之改变电荷的极性随之改变,输出输出 电压的频率与动态力的频率相同电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态当动态力变为静态 力时力时,电荷将由于电荷将由于表面漏电表面漏电而很快泄漏、消失。而很快泄漏、消失。 2021/2/115 主要特性参数主要特性参数: l压电常数压电常数:衡量材料压电效应强弱的参数衡量材料压电效应强弱的参数,影响压电输影响压电输 出的灵敏度出的灵敏度; l弹性常数弹性常数:刚度决定压电器件的固有频率和动态特性刚度决定压电器件

4、的固有频率和动态特性 l介电常数介电常数:决定压电器件的固有电容决定压电器件的固有电容,固有电容影响压固有电容影响压 电传感器的频率下限（电传感器的频率下限（C越大越大,频率下限就越低）。频率下限就越低）。 l机械耦合系数机械耦合系数:衡量压电材料机电能量转换效率。衡量压电材料机电能量转换效率。 是转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）是转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能） 之比的平方根。之比的平方根。 l电阻电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露,改善传感改善传感 器的低频特性。器的低频特性。 l居里点温度居里点温度:压电材料开始丧失压电特性的温

5、度。即压电材料开始丧失压电特性的温度。即 工作温度上限。工作温度上限。 2021/2/116 l单晶体结构单晶体结构:SiO2。 正六面体正六面体。 l各向异性各向异性: 由晶体学可知由晶体学可知,无对称中心的晶体无对称中心的晶体,通常具有压电效通常具有压电效 应。应。 l纵轴纵轴z:光轴光轴,沿沿z轴方向的作用力不产生压电效应。轴方向的作用力不产生压电效应。 l电轴电轴:x轴轴,电轴电轴,垂直于此轴的面上压电效应明显。纵垂直于此轴的面上压电效应明显。纵 向压电效应。向压电效应。 l机械轴机械轴:y轴轴,切割方向切割方向,电场作用下沿该轴方向的机械电场作用下沿该轴方向的机械 变形最明显。横向压

6、电效应。变形最明显。横向压电效应。 2021/2/117 l外力外力0: 正负离子分布在正负离子分布在正六边形正六边形顶角上顶角上,形成三个形成三个 互成互成120 夹角的电偶极距夹角的电偶极距P1,P2,P3。 lP=ql,l是正负电荷之间的距离是正负电荷之间的距离。此时正负电荷重心重。此时正负电荷重心重 合合, 矢量和矢量和P1+P2+P3=0。晶体表面不产生电荷。晶体表面不产生电荷,呈中呈中 性。性。 2021/2/118 lFx拉力（拉力（ Fy 压力）压力）: 晶体沿晶体沿x方向压缩变形方向压缩变形,正负离正负离 子相对位置变动。正负电荷重心不再重合子相对位置变动。正负电荷重心不再重

7、合, P1减减 小小,P2,P3增加增加,使电偶极距在使电偶极距在x方向上的分量不等于零方向上的分量不等于零, 在在x轴正方向出现负电荷轴正方向出现负电荷;电偶极距在电偶极距在y方向上的分量方向上的分量 仍为零仍为零,不出现电荷。不出现电荷。 lFx压力（压力（ Fy 拉力）拉力）: 晶体沿晶体沿y方向压缩变形方向压缩变形,P1增增 大大,P2,P3减小。电偶极距减小。电偶极距x方向上的分量不等于零方向上的分量不等于零,x 轴正方向出现正电荷轴正方向出现正电荷;电偶极距在电偶极距在y方向上分量仍为方向上分量仍为 零零,不出现电荷。不出现电荷。 l Fz 0:晶体在晶体在x,y方向产生的形变完全

8、相同方向产生的形变完全相同,正负电荷正负电荷 重心重合重心重合,电偶极距矢量和等于零电偶极距矢量和等于零,晶体不会产生压电晶体不会产生压电 效应。效应。 2021/2/119 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形 2021/2/1110 2021/2/1111 石英晶体薄片石英晶体薄片 双面镀银并封装双面镀银并封装 2021/2/1112 石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电 路中工作时路中工作时, ,压电效应压电效应 与逆压电效应交替作用与逆压电效应交替作用, , 从而产生稳定的振荡输从而产生稳定的振荡输 出频率。出频率。 晶振晶振 2021/2/1113 2. 其它压电单晶其它压电单晶

9、 锂盐类压电和铁电单晶材料。锂盐类压电和铁电单晶材料。 时间稳定性好时间稳定性好,居里点温度高达居里点温度高达1200C,在高温在高温 、强辐射条件下仍具有良好的压电效应、强辐射条件下仍具有良好的压电效应,且机械性能好且机械性能好 ,同时具有光电、声光效应。不足之处是质地脆同时具有光电、声光效应。不足之处是质地脆,抗机抗机 械和热冲击性差。械和热冲击性差。 2021/2/1114 l压电陶瓷是压电陶瓷是人工制造人工制造的多晶压电材料的多晶压电材料,它比石英晶它比石英晶 体的体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多,而制造成本却较低而制造成本却较低,因此目因此目 前国内外生产的压电元件绝大多数都采用

10、压电陶前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶 瓷瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶 瓷（瓷（PZT）及）及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷 （如（如BaTiO3等）。等）。 l压电系数高压电系数高,灵敏度较石英材料高灵敏度较石英材料高,但工作温度低但工作温度低,温温 度稳定性和机械强度都不如石英。度稳定性和机械强度都不如石英。 2021/2/1115 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。 所谓所谓“多晶多晶”,它是由无数细微的单晶组成它是由无数细微的单晶组成;所谓所谓“铁铁 电体电体”,它具有类

11、似铁磁材料磁畴的它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴电畴”结构。每结构。每 个单晶形成一单个电畴个单晶形成一单个电畴,无数单晶电畴的无规则排列无数单晶电畴的无规则排列, 致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性 (如图如图6.4所示所示)。要使之具有压电性。要使之具有压电性,必须作必须作极化处理极化处理, 即在一定温度下对其施加强直流电场即在一定温度下对其施加强直流电场,迫使迫使“电畴电畴”趋趋 向外电场方向作规则排列向外电场方向作规则排列如图如图6.4(中中);极化电场极化电场 去除后去除后,趋向电畴基本保持不变趋向电畴基本保持不变,形成很强的剩余极

12、化形成很强的剩余极化, 从而呈现出压电性从而呈现出压电性如图如图6.4(右右)。 1. 压电陶瓷的极化处理压电陶瓷的极化处理 2021/2/1116 2021/2/1117 2021/2/1118 1 1、 压电半导体压电半导体 硫化锌硫化锌(ZnS)、碲化镉、碲化镉(CdTe)、氧化锌、氧化锌(Zno)、硫、硫 化镉化镉(CdS)、碲化锌、碲化锌(ZnTe)和砷化镓和砷化镓(GaAs)等。等。 显著特点显著特点:具有压电效应具有压电效应,又有半导体特性又有半导体特性,可同时可同时 利用将两者结合利用将两者结合,集元件与电路于一体集元件与电路于一体,形成新型形成新型集成压集成压 电传感器系统电

13、传感器系统。 聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯）、聚氟乙烯 （PVF）、改性聚氯乙烯（）、改性聚氯乙烯（PVC）等。是一种柔软的）等。是一种柔软的 压电材料压电材料,可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。 不易破碎不易破碎,具有防水性具有防水性,可以大量连续拉制可以大量连续拉制,制成较大面制成较大面 积或较长的尺度积或较长的尺度,价格便宜价格便宜,频率响应范围较宽频率响应范围较宽。 2021/2/1119 2021/2/1120 2021/2/1121 2021/2/1122 2021/2/1123 6.2.2 压电方程及压电常数矩

14、阵（略）压电方程及压电常数矩阵（略） 书书P141图图6-7 2021/2/1124 6.3.1. 等效电路等效电路 相对介电常数为相对介电常数为r,r,极化面积为极化面积为A,A,厚度为厚度为t t的的压压 电片的两电极出现等量异号的电荷电片的两电极出现等量异号的电荷,中间为绝缘体中间为绝缘体,可可 视为一个自源视为一个自源电容器电容器: t A C r a 0 aa CQU (a) 当需要压电器件输出电压时当需要压电器件输出电压时,可等效为与电容串联可等效为与电容串联 的电压源的电压源,开路状态输出电压及电压灵敏度为开路状态输出电压及电压灵敏度为: FC Q F U K a a u 202

15、1/2/1125 (b)当需要压电器件输出电荷时当需要压电器件输出电荷时,可等效为与电容并联的可等效为与电容并联的 电荷源电荷源,开路状态输出电荷及电荷灵敏度为开路状态输出电荷及电荷灵敏度为: aaU CQ F UC F Q K aa q Ku与与Kq之间存在如下关系之间存在如下关系: a q u C K K 以上为理想等效电路以上为理想等效电路,只有在压电器件本身理想绝缘只有在压电器件本身理想绝缘 、无泄漏、输出端开路条件下成立。、无泄漏、输出端开路条件下成立。 2021/2/1126 l考虑连接电缆分布电容考虑连接电缆分布电容Cc,放大器输入电阻放大器输入电阻Ri 和电容和电容 Ci ,压

16、电传感器泄露电阻压电传感器泄露电阻Ra的影响。的影响。 图图6.9 压电传感器等效电路和测量电路压电传感器等效电路和测量电路 (a)电压源电压源; (b)电荷源电荷源 2021/2/1127 测量电路的主要作用测量电路的主要作用: l压电传感器内阻较高压电传感器内阻较高,输出能量较小输出能量较小,测量电路需要测量电路需要 高输入阻抗前置放大器。高输入阻抗前置放大器。 l阻抗匹配阻抗匹配:将高输出阻抗变换为低输出阻抗将高输出阻抗变换为低输出阻抗; l信号放大信号放大:放大传感器输出的微弱信号（电压、电放大传感器输出的微弱信号（电压、电 荷）。荷）。 常用的测量电路形式常用的测量电路形式: l前置

17、放大器前置放大器:电压放大器、电荷放大器电压放大器、电荷放大器 2021/2/1128 )( 33 / 压电陶瓷FdQ CCC RRRRR ic iaia tFF m sin压力 tF C d F C d CQU aa aa sin/ 3333 压电器件的输出电压为压电器件的输出电压为: 1. 压电输出特性压电输出特性 2021/2/1129 ,故回路输出电压及灵敏度为故回路输出电压及灵敏度为: RCj Rj d F U K RCj Rj FdU t ut 1 , 1 3333 / 1RCj R IZIU t a a Cj Z U I 1 回路输出电压回路输出电压: 灵敏度的幅值和相位为灵敏度

18、的幅值和相位为: , 1 2 33 RC Rd F U K t um )arctan( 2 RC aic CCCC令： 2021/2/1130 理想情况下理想情况下 时：1, icaia CCCRRR 无关与频率，认为时通常， ，测量电路时间常数 测量回路角频率 相对电压灵敏度： 与频率无关 * 1 1 1 22 1 1 2 * * 33 * 3 1 )(1)(1)(1 um um um um ica um K RC RC RC K K k K CCC d K 2. 动态特性动态特性 输出电压灵敏度输出电压灵敏度: 2021/2/1131 从图中分析从图中分析: (1) 高频特性高频特性 当当

19、 1时时, 即当回路时间常数一定时即当回路时间常数一定时,被测被测 量频率越高量频率越高,输出电压灵敏度越输出电压灵敏度越 接近理想状态。表明器件高频响接近理想状态。表明器件高频响 应特性好。应特性好。 （2）低频特性当）低频特性当 1时时,即当回路时间常数一即当回路时间常数一 定时定时,被测量频率越低被测量频率越低,输出电压灵敏度越偏离理想状输出电压灵敏度越偏离理想状 态。态。 动态误差动态误差=(k-1)*100%越大。相位角误差也大越大。相位角误差也大 。 为保证低频工作时满足一定的精度为保证低频工作时满足一定的精度,必须增加时间必须增加时间 常数常数RC。途径一途径一:增大增大C,但但

20、Kum将减小将减小,不可取不可取;途途 径二径二:增大增大R=RaRi/(Ra+Ri),即要求放大器的输入电阻即要求放大器的输入电阻 Ri足够大。足够大。 2021/2/1132 设计和使用时应注意设计和使用时应注意: (1) 特性曲线显示了被测角频率特性曲线显示了被测角频率(=2f)、放大、放大 器输入电阻器输入电阻Ri和动态误差和动态误差或相位角误差之间的关系或相位角误差之间的关系 。因此在设计和应用压电传感器时。因此在设计和应用压电传感器时,可可根据给定的精度根据给定的精度 ,合理选择合理选择Ri和和f 。 (2) 由于采用电压放大器的压电传感器由于采用电压放大器的压电传感器,其输出其输

21、出 电压受电缆分布电容电压受电缆分布电容Cc的影响。压电传感器与前置放的影响。压电传感器与前置放 大器之间大器之间连接电缆不能随意更换连接电缆不能随意更换,否则将偏离原标定的否则将偏离原标定的 灵敏度灵敏度,引入测量误差。引入测量误差。 解决办法解决办法:将放大器放入传感器中。将放大器放入传感器中。 电压放大器电路简单、成本低、工作可靠。但电压放大器电路简单、成本低、工作可靠。但 不能用于静态测量。不能用于静态测量。 2021/2/1133 1. 工作原理和输出特性工作原理和输出特性 电荷放大器将压电器件高内阻的电荷源转换为传电荷放大器将压电器件高内阻的电荷源转换为传 感器低内阻的电压源感器低

22、内阻的电压源,以实现阻抗匹配以实现阻抗匹配,并使输出电压正并使输出电压正 比于输入电荷。且传感器的灵敏度不受电缆变化影响比于输入电荷。且传感器的灵敏度不受电缆变化影响 。 输入阻抗输入阻抗10101012欧欧,输出阻抗小于输出阻抗小于100欧。欧。 优点优点:在一定条件下在一定条件下,传感器灵敏度与电缆长度无关传感器灵敏度与电缆长度无关 。 电荷放大器实际是电荷放大器实际是具有深度负反馈的高增益放大具有深度负反馈的高增益放大 器器,等效电路如下页图。等效电路如下页图。 反馈电容反馈电容Cf 、高增益运算放大器、高增益运算放大器A,开环增益足够开环增益足够 大大,运放输入端电流几乎为零运放输入端

23、电流几乎为零,则推导得则推导得: 6.3.2.2 电荷放大器电荷放大器 2021/2/1134 只与反馈电容有关输出灵敏度： fu CK1 pFC C Q U CCCCCA A CCA AQ U f f o icaf f o 4 84 10100 )(1 ,1010 1 一般取则： 当 其中， 结论结论:电路线性好电路线性好,电缆对性能无影响电缆对性能无影响 反馈电容反馈电容Cf 、高增益运、高增益运 算放大器算放大器A,开环增益足够大开环增益足够大, 运放输入端电流几乎为零运放输入端电流几乎为零,则则 推导得推导得: 2021/2/1135 2. 高低频限高低频限 3. 高频上限高频上限:

24、kHzCCR CCR f cac cac H 180 2 1 可高达都很小，因此上限频率、由于 低频下限低频下限: )(1010 2 1 41 准静态故低频下限可达 可做得很大，运放的时间常数 Hz CR CR f ff ff L 2021/2/1136 . 2021/2/1137 灵 敏 度:0.11000mV/pC 频率范围:0.3100KHz 噪声(最大增益):折合至输入端小于5V 准 确 度:1% 最大输出:10V/10mA 电 源:220V/50Hz 控制方式: 计算机或手动 2021/2/1138 主要指标: 灵 敏 度:1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围:0.310

25、0KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度):输出端小于1mV 归 一 化:外接电阻调整 线性误差:1% 最大输出:5V或10V 电 源:6V15V 特点:可组成经济的多点测试系统 2021/2/1139 面板式电荷放大器面板式电荷放大器 2021/2/1140 2021/2/1141 凡是利用压电材料的各种物理效应构成凡是利用压电材料的各种物理效应构成 的传感器均称为压电传感器的传感器均称为压电传感器; 1.力电转换的变形方式力电转换的变形方式(P148表表65) 受力受力 及变形方式及变形方式 常用常用:厚度变厚度变 形的压缩式、形的压缩式、 剪切变形的剪切变形的 剪切式剪切式 2021/

26、2/1142 多片压电材料的连接多片压电材料的连接 (a)并联并联, U不变不变,2Q 常用并联常用并联; (b) 串联串联,Q不变不变,2U 2 q 2U 2. 压电元件的结构和组合形式压电元件的结构和组合形式 压电传感器在压力较低时线性度不好压电传感器在压力较低时线性度不好,因此加入预因此加入预 加力加力,称称预载预载,消除非线性消除非线性,同时提高刚度。只有加预载同时提高刚度。只有加预载 才能测量拉力、交变力、剪力、扭矩。才能测量拉力、交变力、剪力、扭矩。 2021/2/1143 连接连接 方式方式 特点特点说明说明备注备注 并联并联 电压相等电压相等 电容相加电容相加 电荷相加电荷相加

27、 传感器时间常数增大传感器时间常数增大, 电荷灵敏度增大电荷灵敏度增大,适适 用于电荷输出、低频用于电荷输出、低频 信号测量的场合信号测量的场合 每两片晶每两片晶 层中间夹层中间夹 垫金属片垫金属片 作电极作电极,引引 出导线出导线 串联串联 电荷相等电荷相等 电压相加电压相加 电容减小电容减小 传感器时间常数减小传感器时间常数减小, 电压灵敏度增大电压灵敏度增大,适适 用于电压输出、高频用于电压输出、高频 信号测量及回路高输信号测量及回路高输 入阻抗的场合入阻抗的场合 晶片之间晶片之间 用导电胶用导电胶 粘结粘结,端面端面 用金属垫用金属垫 片引出导片引出导 线线 表表66 压电片串并联组合

28、的特点压电片串并联组合的特点 2021/2/1144 一、高分子压电材料的应用 1. 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测将高分子压电测 振薄膜粘贴在玻璃上振薄膜粘贴在玻璃上, 可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎 时会发出的振动时会发出的振动,并将并将 电压信号传送给集中电压信号传送给集中 报警系统。报警系统。 粘贴粘贴 位置位置 2021/2/1145 质量块 将厚约将厚约0.2mm左右的左右的PVDF 薄膜裁制成薄膜裁制成10 20mm大小。在它大小。在它 的正反两面各喷涂透明的二氧化的正反两面各喷涂透明的二氧化 锡导电电极锡导电电极,再用超声波焊接上再用超声波焊接上 两根柔软的电极引线。并用保护两根柔软