第7章+压电式传感器改ppt课件

1、第第7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器 压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。都得到广泛的应用。第第7 7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器压电陶瓷位移器压

2、电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电秤重浮游计压电加速度计压电警号压电警号第第7 7章压电式传感器章压电式传感器点火器晶体第第7 7章压电式传感器章压电式传感器7.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n1.压电效应压电效应n压电材料受力变形压电材料受力变形,在表面产生电荷在表面产生电荷正压电效应正压电效应n 机械能机械能 电能电能n压电材料通电压压电材料通电压,材料变形材料变形逆压电效应逆压电效应 n 电能电能 机械能机械能n2.压电材料压电材料n压电晶体压电晶体(单晶单晶)n压电陶瓷压电陶瓷(多晶多晶)压电元件压电元件机械能电能第第7 7

3、章压电式传感器章压电式传感器3.压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数n1.压电常数压电常数 是衡量材料压电效应强弱的参数是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直它直接关系到压电输出的灵敏度。接关系到压电输出的灵敏度。n n2.压电材料的弹性常数压电材料的弹性常数E、刚度决定着压电器件的固、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。有频率和动态特性。n3.对于一定形状、尺寸的压电元件对于一定形状、尺寸的压电元件, 其固有电容与介其固有电容与介电常数电常数 有关有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。率下限。dFdQ(7-1)第第7 7章压电式传感器章压电

4、式传感器3.压电材料的主要特性参数压电材料的主要特性参数n4.在压电效应中在压电效应中,机械耦合系数机械耦合系数K 等于转换输出能量等于转换输出能量(如电能如电能)与输入的能量与输入的能量(如机械能如机械能)之比的平方根之比的平方根; 它是它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 n5.压电材料的绝缘电阻压电材料的绝缘电阻Ra将减少电荷泄漏将减少电荷泄漏, 从而改善从而改善压电传感器的低频特性。压电传感器的低频特性。n6.压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。 第第7 7章压电式传感器章压

5、电式传感器4.压电材料的主要公式压电材料的主要公式n1. 压电关系式压电关系式:nd为压电常数；为压电常数；F为压电材料所有外力；为压电材料所有外力；Q为产生为产生电荷电荷n2.压电电压常数压电电压常数n 是压电材料的介电常数是压电材料的介电常数n3.压电应变常数压电应变常数n E为压电材料的弹性模量为压电材料的弹性模量n4.机电耦合系数机电耦合系数n dg FdQEghEddhK(7-1)第第7 7章压电式传感器章压电式传感器7.1.1 压电转换压电转换n压电关系表达式：压电关系表达式： n更一般表达式更一般表达式: :电荷密度电荷密度 ,(,(用单位面积受力表示用单位面积受力表示) )n

6、FdQjijidq第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n石英的晶体结构为六棱柱石英的晶体结构为六棱柱, ,化学式为化学式为SiO2SiO2。 n定义：定义：nz z ：无压电效应：无压电效应, ,六棱柱纵轴六棱柱纵轴, ,也称光轴。也称光轴。nx x：通过六棱柱棱线并垂直于光轴，也称为电轴。：通过六棱柱棱线并垂直于光轴，也称为电轴。ny y ：垂直于棱面：垂直于棱面, ,称为机械轴。称为机械轴。第第7 7章压电式传感器章压电式传感器 压电材料压电材料石英晶体石英晶体压电晶片按特定方向切片按特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n切片在受到不同方向的作用力时

7、切片在受到不同方向的作用力时,会产生不同的极化现象。会产生不同的极化现象。n主要的压电效应有：纵向效应、横向效应和切向效应。主要的压电效应有：纵向效应、横向效应和切向效应。7.1.2石英晶体的压电机理分析石英晶体的压电机理分析第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n压电常数压电常数dijdij有两个下标有两个下标: :ni(i=1,2,3)i(i=1,2,3)表示在表示在i i面上产生电荷面上产生电荷,i=1,2,3,i=1,2,3分别表示在垂分别表示在垂直于直于x,y,zx,y,z轴的晶面轴的晶面, ,即即x,y,zx,y,z面上产生电荷。面上产生电荷。nj(j=1,2,3,4,5,6)j(

8、j=1,2,3,4,5,6)其中其中j=1,2,3j=1,2,3分别表示晶体沿分别表示晶体沿x,y,zx,y,z轴轴方向承受单向力；方向承受单向力；j=4,5,6j=4,5,6分别表示晶体在分别表示晶体在yzyz平面、平面、zxzx平面和平面和xyxy平面上承受剪切力。平面上承受剪切力。7.1.2石英晶体的压电机理分析石英晶体的压电机理分析第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n石英石英n 天然或人工合成。具有良好的机械强度和压天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小电效应。压电系数较小(d11=2.3(d11=2.310-12C/N),10-12C/N),但压但压电系数的时

9、间和稳定性好。在电系数的时间和稳定性好。在2020200200内内, ,温度每温度每升高升高1,1,压电系数仅减少压电系数仅减少0.016%,0.016%,升高到升高到200200时时, ,仅减小仅减小5%5%，达到，达到573573时时, ,失去压电特性失去压电特性, ,此温度称此温度称为石英的居里点。介电常数为为石英的居里点。介电常数为4.54.5。7.1.2石英晶体的压电机理分析石英晶体的压电机理分析第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n(1)(1)纵向压电效应纵向压电效应沿电轴沿电轴(X(X轴轴) )施力施力, ,电荷出现在与电荷出现在与X X轴轴垂直的表面上。产生的电荷为：垂直的表

10、面上。产生的电荷为：n(2)(2)横向压电效应横向压电效应沿机械轴沿机械轴(Y(Y轴轴) )施力施力, ,电荷仍出现在与电荷仍出现在与X X轴垂直的表面上。产生的电荷为：轴垂直的表面上。产生的电荷为：xxFdq11baFdSSFdqyyxyy1212其中d11：纵向压电系数，Fx：作用力其中d12：横向压电系数，Fy：作用力，Sx、Sy分别为与X轴、Y轴相垂直的表面积，a/b：X轴/Y轴方向厚度7.1.2石英晶体的压电机理分析石英晶体的压电机理分析第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n根据石英晶体对称性根据石英晶体对称性, ,n d11=-d12 d11=-d12n从而从而baFdqyy11

11、即横向压电产生的电荷与即横向压电产生的电荷与纵向压电产生的电荷极性纵向压电产生的电荷极性相反。相反。压电式传感器主要利用的压电式传感器主要利用的是纵向压电效应。是纵向压电效应。7.1.2石英晶体的压电机理分析石英晶体的压电机理分析第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n(3)(3)切向压电效应切向压电效应沿相对两棱加力沿相对两棱加力(X(X轴或轴或Y Y轴施加剪切力轴施加剪切力),),晶体表面产生电荷的现象。晶体表面产生电荷的现象。n 沿沿X X轴的剪切力产生的电荷在与轴的剪切力产生的电荷在与Y Y轴垂直轴垂直n 的表面上的表面上( (电荷量与剪切力成正比电荷量与剪切力成正比, ,与晶与晶n

12、体尺寸无关体尺寸无关) )n 沿沿Y Y轴的剪切力产生的电荷在与轴的剪切力产生的电荷在与X X轴垂直轴垂直n 的表面上的表面上( (电荷量与剪切力成正比电荷量与剪切力成正比, ,与晶体尺寸无关与晶体尺寸无关) )7.1.2石英晶体的压电机理分析石英晶体的压电机理分析第第7 7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n当石英晶体未受外力作用时当石英晶体未受外力作用时(a),(a),正、负离子正好分布在正六边正、负离子正好分布在正六边形的顶角上形的顶角上, ,形成三个互成形成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1P1、P2P2、P3, P3, P1+P2+P

13、3=0,P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷所以晶体表面不产生电荷, ,即呈中性。即呈中性。 n当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿x x轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时(b),(b),晶体沿晶体沿x x方向将产方向将产生压缩变形生压缩变形, ,正负电荷重心不再重合正负电荷重心不再重合, ,在在x x轴的正方向出现正电荷轴的正方向出现正电荷, ,电偶极矩在电偶极矩在y y方向上的分量仍为零方向上的分量仍为零, ,不出现电荷。不出现电荷。第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n当晶体受到沿当晶体受到沿y y轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时(c),(c),在在x x轴上出现电荷轴上出现

14、电荷, ,它它的极性为的极性为x x轴正向为负电荷。在轴正向为负电荷。在y y轴方向上不出现电荷。轴方向上不出现电荷。 n如果沿如果沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力, ,因为晶体在因为晶体在x x方向和方向和y y方向所产方向所产生的形变完全相同生的形变完全相同, ,所以正负电荷重心保持重合所以正负电荷重心保持重合, ,电偶极矩矢电偶极矩矢量和等于零。这表明沿量和等于零。这表明沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力, ,晶体不会产生压晶体不会产生压电效应。电效应。 第第7 7章压电式传感器章压电式传感器7.1.3压电陶瓷的压电机理分析压电陶瓷的压电机理分析第第7 7章压电式传感器章压

15、电式传感器7.1.3压电陶瓷的压电机理分析压电陶瓷的压电机理分析压电晶体与压电陶瓷的比较：压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：都是具有压电效应的压电材料。相同点：都是具有压电效应的压电材料。不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好性好, ,适合做工作温度范围很宽的传感器。适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷极化后的压电陶瓷, ,当受外力变形后当受外力变形后, ,由于电极矩的由于电极矩的重新定位而产生电荷重新定位而产生电荷, ,压电陶瓷的压电系数是石英的几十压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍倍甚至几百倍, ,但稳定性不

16、如石英好，居里点也低。但稳定性不如石英好，居里点也低。 压电陶瓷的压电系数是石英的几十压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍倍甚至几百倍, ,但稳定性不如石英好，居里点也低但稳定性不如石英好，居里点也低第第7 7章压电式传感器章压电式传感器陶瓷片极化 ()压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。因此陶瓷片对外不表现极性。 第第

17、7 7章压电式传感器章压电式传感器压电陶瓷的正压电效应 n压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。n当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 FdQ33Q 电荷量；电荷量；d33 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数； F 作用力。作用力。第第7 7章压电式传感器章压电式传感器压电材料压电材料 压电陶瓷多晶体）压电陶瓷多晶体） 33qd第第7 7章压电式传感器

18、章压电式传感器常见压电陶瓷 ：（1钛酸钡BaTiO3压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2锆钛酸铅PbZrTiO3系压电陶瓷PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。（3铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。第第7 7章压电式传感器章压电式传感器 高分子压电材料高分子压电材料 聚偏氟乙烯压电材料聚偏氟乙烯压电材料 第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n压

19、电器件相当于具有一定电容的电荷源压电器件相当于具有一定电容的电荷源,其电容其电容n电容两极板间开路电压为电容两极板间开路电压为7.2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路ACa0aaCqu 第第7 7章压电式传感器章压电式传感器等效电路等效电路若考虑负载若考虑负载(测量电路测量电路),等效电路如下：等效电路如下：7.2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路RaRa为传感器的绝缘电阻为传感器的绝缘电阻, ,CaCa为传感器的等效电容为传感器的等效电容第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n假设一恒力假设一恒力F F作用于压电器件作用于压电器件, ,产生电量产生电量q,q,则输出电压为

20、则输出电压为n 压电传感器本身产生的电荷量很小压电传感器本身产生的电荷量很小, ,且传感器本身的电且传感器本身的电阻很大阻很大( (压电器件绝缘电阻压电器件绝缘电阻RaRa一般在一般在101310131014 1014 以上以上),),因此因此输出信号很微弱输出信号很微弱, ,对后续测量电路提出很高的要求。对后续测量电路提出很高的要求。n 由于传感器的内阻对于后续电路的输入电阻由于传感器的内阻对于后续电路的输入电阻RiRi非无限大非无限大, ,电路将按指数规律放电电路将按指数规律放电, ,造成测量误差。电路的放电时间常数造成测量误差。电路的放电时间常数icaaCCCqCquCRCRRiia)/

21、(为减小误差，为减小误差，RiRi越大越好越大越好7.2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n电荷泄露使得压电传感器测量静态或准静态非常困难。电荷泄露使得压电传感器测量静态或准静态非常困难。通常压电传感器用于动态测量。通常压电传感器用于动态测量。n 实际应用中实际应用中, ,为了增大输出值为了增大输出值, ,压电传感器往往使用两个压电传感器往往使用两个或两个以上晶体串联或并联使用。或两个以上晶体串联或并联使用。并联并联 串联串联7.2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n并联时，输出电荷量大、电容大、并

22、联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；时间常数大；n适宜测量缓慢信号和以电荷输出适宜测量缓慢信号和以电荷输出的场合。的场合。并联并联7.2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n串联时，输出电压大、电容小、串联时，输出电压大、电容小、时间常数小；时间常数小；n适宜测量高频信号和以电压输出适宜测量高频信号和以电压输出的场合。的场合。串联串联7.2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n由于压电式传感器的输出电信号很微弱由于压电式传感器的输出电信号很微弱, ,通常先把传通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前

23、置放大器：电压感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器：电压放大器或电荷放大器放大器或电荷放大器, ,对传感器输出的电压或电荷信对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理号进行放大处理, ,并事先阻抗变换并事先阻抗变换, ,将传感器的高输将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗出阻抗变为放大器的低输出阻抗, ,再用一般的放大检再用一般的放大检波电路输入到指示仪表或记录器。波电路输入到指示仪表或记录器。n前置放大器的作用前置放大器的作用: :放大信号、阻抗变换放大信号、阻抗变换7.2压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n1.1.电压放大器电压放大器n设

24、作用于压电晶设作用于压电晶片上的交变力片上的交变力 n那么那么而而其中其中R=Ra/Ri,C=Ca+Cc+CiR=Ra/Ri,C=Ca+Cc+Ci7.2.1电压放大器电压放大器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n即即输入端电压幅值：输入端电压幅值： 输出端电压幅值：输出端电压幅值：定义压电传感器电压输出灵敏度：定义压电传感器电压输出灵敏度：7.2.1电压放大器电压放大器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n当作用力频率当作用力频率 与电路时间常数与电路时间常数RCRC足够大时，足够大时，显然显然omUomU和和 与与 有关有关, ,当改变电缆长度或布线方法当改变电缆长度或布线方法时，时，

25、 和和 都会改变都会改变, ,从而导致测量误差。从而导致测量误差。ouScCouS第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n若压电器件上的作用静态力若压电器件上的作用静态力( )( )0即：即： 压电传感器不能测量静态力。压电传感器不能测量静态力。omU和和 均为均为0.0.ouS那那么：么：假设假设 时，时， 与电缆电容有关与电缆电容有关icamimCCCdFU)(第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n2.2.电荷放大器电荷放大器7.2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n2.2.电荷放大器电荷放大器同样求得输入端电压：同样求得输入端电压：其中其

26、中,R=Ra/Ri ，C=Ca+Cc+Ci+(1+A)Cf假设假设 那那么么若若A最够大最够大(一般一般100db以上以上) 那么那么7.2.2电荷放大器电荷放大器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n说明：在一定条件下说明：在一定条件下, ,电荷放大器的输出电压与外电荷放大器的输出电压与外力成正比力成正比, ,与反馈电容成反比与反馈电容成反比, ,而与而与CaCa、CcCc和和CiCi无关。无关。n电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果是电荷放大器的突出优点。果是电荷放大器的突出优点。7.2.2电荷放大器电荷放大器n输出电压与电缆电容输出

27、电压与电缆电容CaCa无关无关, ,且且的影响不明显的影响不明显( (由于作了由于作了简化假设简化假设, ,表达式上是无关的表达式上是无关的) )与与q q成正比成正比n这些优点使得压电传感器基本上都用电荷放大器作为转换这些优点使得压电传感器基本上都用电荷放大器作为转换电路。电路。第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n电压放大器与电荷放大器比较：电压放大器与电荷放大器比较：n电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。分布电容有关，选用时

28、宜综合考虑。7.2.2电荷放大器电荷放大器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n特点：特点：n能量转换型能量转换型( (发电型发电型) )传感器传感器n体积小、重量轻、刚性好体积小、重量轻、刚性好, ,可提高其固有频率可提高其固有频率, ,得到较得到较宽的工作频率范围。宽的工作频率范围。n灵敏度高、稳定性好。对应用纵向压电效应的传感器灵敏度高、稳定性好。对应用纵向压电效应的传感器, ,电荷量与晶体的变形无关电荷量与晶体的变形无关, ,因而灵敏度与传感器刚度无关。因而灵敏度与传感器刚度无关。n有比较理想的线性。有比较理想的线性。n主要用于动态测量。主要用于动态测量。n存在横向效应存在横向效应,

29、 ,影响测量结果。影响测量结果。n实际中必须采取严格的绝缘措施实际中必须采取严格的绝缘措施, ,并采用低电容、低噪并采用低电容、低噪声的电缆。声的电缆。n工作原理可逆。工作原理可逆。n广泛用于冲击、振动及动态力的测量。广泛用于冲击、振动及动态力的测量。7.3压电传感器的应用压电传感器的应用第第7 7章压电式传感器章压电式传感器7.3压电传感器的应用压电传感器的应用n7.3.1压电式测力传感器压电式测力传感器F第第7 7章压电式传感器章压电式传感器n7.3.2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器7.3压电传感器的应用压电传感器的应用第第7 7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器

30、章压电式传感器n利用压电效应利用压电效应, ,在加速度计受振动时在加速度计受振动时, ,质量块加在压电元件上质量块加在压电元件上的力的力(F=ma)(F=ma)也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时固有频率时, ,则产生的电压则产生的电压( (或电荷或电荷) )与被测加速度成正比。与被测加速度成正比。n对于加速度计的灵敏度有两种表示方法：对于加速度计的灵敏度有两种表示方法：n电荷灵敏度电荷灵敏度n电压灵敏度电压灵敏度n一般选用压电系数大的压电元件。一般选用压电系数大的压电元件。7.3压电传感器的应用压电传感器的应用加速度计加速度计第第7

31、7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器第第7 7章压电式传感器章压电式传感器 压电传感器的应用压电传感器的应用第第7 7章压电式传感器章压电式传感器 压电传感器的应用压电传感器的应用晶体管声、光控开关电路晶体管声、光控开关电路第第7 7章压电式传感器章压电式传感器 压电传感器的应用压电传感器的应用超声波传感器超声波传感器振动式液位开关振动式液位开关压电加速度计压电元件产品压电元件产品第第7 7章压电式传感器章压电式传感器 压电传感器的应用压电传感器的应用点火器晶体