传感器与检测技术黄鸿课件2016第6章压电式

1、1.1.压电效应及压电材料压电效应及压电材料2.2.等效电路等效电路3.3.测量电路测量电路4.4.应用应用 第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器以下传感器的工作原理分别是。以下传感器的工作原理分别是。 电阻传感器电阻传感器 电感传感器电感传感器 霍尔传感器霍尔传感器 光电传感器光电传感器 压电传感器压电传感器压阻效应压阻效应电磁感应电磁感应霍尔效应霍尔效应压电效应压电效应光电效应光电效应 ？ 什么是压电效应？什么是压电效应？ 哪些材料具有压电效应？哪些材料具有压电效应？引言。引言。石英晶体的压电效应早在石英晶体的压电效应早在18801880年即已发现，年即已发现，19481948年制作出

2、第一个年制作出第一个石英传感器。在此之后，一系列的单晶、多晶陶瓷材料和有机高石英传感器。在此之后，一系列的单晶、多晶陶瓷材料和有机高分子聚合物的压电效应也被发现了。分子聚合物的压电效应也被发现了。18801880年，年，皮埃尔皮埃尔. .居里居里与雅克斯与雅克斯. .居里。石英晶体的压居里。石英晶体的压电效应。电效应。老师李普曼。热力学方法。能量守恒和电量守恒。老师李普曼。热力学方法。能量守恒和电量守恒。石英在电场下的形变。亿分之一到百万分之一厘米。石英在电场下的形变。亿分之一到百万分之一厘米。严济慈。中国现代物理学研究的开创者。单色光干涉法严济慈。中国现代物理学研究的开创者。单色光干涉法测量

3、形变。测量形变。石英在电场下的形变和光学特性变化的实验研石英在电场下的形变和光学特性变化的实验研究究压压 电电 效效 应应正压电效应正压电效应某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向对其施力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在某两个对其施力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。带电状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。压电元件机械量电量压电效应具有可逆性压电效应具有可逆性逆压电效应逆

4、压电效应反之，对晶体或多晶陶瓷在电轴方向上反之，对晶体或多晶陶瓷在电轴方向上施加一定的交变电场，这些晶体或多晶陶瓷也会产生机械变形；施加一定的交变电场，这些晶体或多晶陶瓷也会产生机械变形；外电场撤离，变形也随着消失。外电场撤离，变形也随着消失。（电致伸缩效应）（电致伸缩效应） 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能够实具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能够实 现现“机机电电”能量的相互转换。压电式传感器是有源能量的相互转换。压电式传感器是有源 的双向机电传感器，的双向机电传感器，一般都是利用正压电效应一般都是利用正压电效应制成的制成的常见的压电材料可分为三大类：常见的压电材料可分为三

5、大类：压电晶体、压电陶瓷压电晶体、压电陶瓷 与高分子压电材料与高分子压电材料。在自然界中大多数晶体都具有压在自然界中大多数晶体都具有压 电效应，但压电效应十分微弱。电效应，但压电效应十分微弱。石英晶体（石英晶体（SiOSiO2 2）、）、 钛酸钡陶瓷（钛酸钡陶瓷（BaTiOBaTiO3 3）、锆铁酸铅系压电陶瓷，即）、锆铁酸铅系压电陶瓷，即 PZTPZT系压电陶瓷系压电陶瓷等是性能优良的压电材料。等是性能优良的压电材料。 压压 电电 材材 料料 石英晶体是单晶体结构。天然结石英晶体是单晶体结构。天然结构的石英晶体是一个正六面体。石英构的石英晶体是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的晶体

6、各个方向的特性是不同的（各向（各向异性）异性）。其中纵向轴。其中纵向轴z z称为光轴称为光轴，它是，它是晶体的对称轴，光线沿晶体的对称轴，光线沿z z轴通过晶体时轴通过晶体时不产生折射现象，因而以它作为基准不产生折射现象，因而以它作为基准轴；经过六面体棱线并垂直于光轴的轴；经过六面体棱线并垂直于光轴的x x称为电轴称为电轴，该轴压电效应最显著；与，该轴压电效应最显著；与x x和和z z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y y称为机械轴（力称为机械轴（力轴）轴），在此轴上加力产生的变形最大。，在此轴上加力产生的变形最大。1. 石英晶体石英晶体SiO2的压电效应的压电效应天然石英晶体的结构外形天然石英晶

7、体的结构外形1.石英晶体石英晶体SiO2的压电效应的压电效应(b) 切割方向切割方向(c) 晶片晶片 (a) 结构外形结构外形1.石英晶体石英晶体SiO2的压电效应的压电效应yxP1P2P3(a) (b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy不受力时不受力时x轴方向受力轴方向受力y轴方向受力轴方向受力石英晶体在石英晶体在Z平面上的投影等效为正六边形排列。平面上的投影等效为正六边形排列。(a) 不受力时不受力时，si2+ 和和 o2- 分布在正六边形的顶点上，形成三个互成分布在正六边形的顶点上，形成三个互成1200夹角的电夹角的电偶极矩偶极矩p1、p2、p3，矢

8、量和等于零，晶体表面无带电现象，矢量和等于零，晶体表面无带电现象(b) X轴或者轴或者Y轴方向受到压力时，轴方向受到压力时，晶体受压缩变形，晶体受压缩变形， p1、p2、p3的矢量和大于的矢量和大于零，在零，在X轴方向的某一表面出现负电荷，反向表面出现正电荷。轴方向的某一表面出现负电荷，反向表面出现正电荷。 当沿当沿X轴方向轴方向或或Y轴方向轴方向受到拉力作用时受到拉力作用时，产生电荷的极性正好相反。，产生电荷的极性正好相反。(d) Z(d) Z轴方向受力时，轴方向受力时， sisi+ + 和和 o o2-2-沿着沿着Z Z轴平移，因此电偶极矩轴平移，因此电偶极矩p p1 1、p p2 2、p

9、 p3 3矢量和等于零，并矢量和等于零，并无压电效应。无压电效应。(e) (e) 在各个方向作用大小相等的力时，也在各个方向作用大小相等的力时，也无压电效应。无压电效应。通常把沿电轴通常把沿电轴x x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电纵向压电效应效应”； 而把沿机械轴而把沿机械轴y y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”；而沿光轴；而沿光轴z z方向的力作用时不产生压电效应。方向的力作用时不产生压电效应。 1.石英晶体石英晶体SiO2的压电效应的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶铁电体

10、。压电陶瓷是人工制造的多晶铁电体。材料内部的晶粒有许多自发材料内部的晶粒有许多自发极化的极化的电畴电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。无外电场作用，它有一定的极化方向，从而存在电场。无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，因时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，因此此原始的压电陶瓷呈中性，并不具有压电效应原始的压电陶瓷呈中性，并不具有压电效应。2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应极化前极化后极化处理极化处理在在压电压电陶瓷上陶瓷上施加强电场施加强电场时，电畴的极化方向发生时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向转动，趋向于按外电场的

11、方向规则排列规则排列，若，若外电场强度足够大，外电场强度足够大，所所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致，去掉外电场后，电畴有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致，去掉外电场后，电畴的极化方向基本无变化，即的极化方向基本无变化，即剩余极化强度很大剩余极化强度很大，从而呈现出压电性。，从而呈现出压电性。当极化后的铁电体当极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，之发生变化，从而使一定表面分别产生正、负电荷。压电从而使一定表面分别产生正、负电荷。压电陶瓷在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数会随时陶瓷在极化方向上压电效应最明显。铁电体的参数会

12、随时间发生变化，即间发生变化，即老化老化，铁电体老化将使压电效应减弱。，铁电体老化将使压电效应减弱。高分子材料属于有机分子半结晶或结晶的聚合物，其压高分子材料属于有机分子半结晶或结晶的聚合物，其压电效应比较复杂。目前应用的电效应比较复杂。目前应用的聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯，其，其压电效应压电效应类似铁电体类似铁电体：原始材料经过机械滚压和拉伸成为薄膜，：原始材料经过机械滚压和拉伸成为薄膜，再经过外电场和温度的联合作用之后，晶体内部的再经过外电场和温度的联合作用之后，晶体内部的偶极偶极矩矩进一步旋转定向，产生了压电效应。进一步旋转定向，产生了压电效应。3.高分子材料的压电效应高分子材料的压电效应压电

13、转换元件受力变形的几种基本形式压电转换元件受力变形的几种基本形式压电方程压电方程Q dF压电方程压电方程:压电元件产生的表面电荷压电元件产生的表面电荷作用力作用力压电系数，通常为一个矩阵，不压电系数，通常为一个矩阵，不同材料的压电系数矩阵不一样同材料的压电系数矩阵不一样1.相对于空间一定的几何切型，只有在某些方向受到作用力时相对于空间一定的几何切型，只有在某些方向受到作用力时 才能产生压电效应。才能产生压电效应。2.可以将不同方向的机械力转化为电效应（正压电效应）；也可以将不同方向的机械力转化为电效应（正压电效应）；也 可以将电效应转化为不同模式的振动（逆压电效应）。可以将电效应转化为不同模式

14、的振动（逆压电效应）。3.根据压电常数的大小，可以判断在哪些方向应力作用时，压根据压电常数的大小，可以判断在哪些方向应力作用时，压 电效应最显著。电效应最显著。压电式传感器的压电式传感器的工作原理：压电材料的压电效应，工作原理：压电材料的压电效应，即当有即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。因为因为压电效应压电效应的可逆性，所以也称其为的可逆性，所以也称其为双向机电传感器双向机电传感器。压电式传感器压电式传感器由于外力作用而在压电材料上由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存

15、情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，这实际上是不可能的， 因此压电式传感器因此压电式传感器不能用于静态测量。不能用于静态测量。压电材料在压电材料在交变力交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故量回路一定的电流，故适用于动态测量。适用于动态测量。 等效电路等效电路压电式传感器对被测量的变化是通过其产生的电荷量的大压电式传感器对被测量的变化是通过其产生的电荷量的大 小来反映的，所以压电式传感器可以看作一个小来反映的，所以压电式传感器可以看作一个电荷发生器电荷发生器。电荷

16、等效电路0raSC 同时，压电元件也是一个同时，压电元件也是一个电容器电容器，晶体上聚集正负电荷的，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，压电材料本身就是极板间的两表面相当于电容的两个极板，压电材料本身就是极板间的电介质，其电容量为电介质，其电容量为 电压等效电路aaquC压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑还需考虑连接电缆的等效电容连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻放大器的输入电阻Ri , 输入电容输入电容Ci以及压电传感器的以及压电传感器的泄漏电阻泄漏电阻Ra。等效电路（续）等效电路（续

17、）UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)压电传感器在测量系统中的实际等效电路压电传感器在测量系统中的实际等效电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，输出可以是电压信号，也可以是电荷信号， 因此前置放因

18、此前置放大器也有两种形式：大器也有两种形式：电压放大器电压放大器和和电荷放大器。电荷放大器。电压放电压放大器：其输出电压与输入电压大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压压电元件的输出电压)成成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。测量电路测量电路 电压放大器（阻抗变换器，高变低）：电压放大器（阻抗变换器，高变低）： 输出电压输出电压uo与压电元件的电压与压电元件的电压ua成正比。成正比。电压放大器（阻抗变换器）电路原理及其等效电路图电压放大器（阻抗变换器）电路原理及其等效电路图放大器电路放大器电路等效电路等效电路注意：此类传感器的灵

19、敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变注意：此类传感器的灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且更换电缆需要重新标定。此类传感器在实际使用时，不能随意更换化，而且更换电缆需要重新标定。此类传感器在实际使用时，不能随意更换传感器出厂时的连接电缆，否则，会给测量带来误差！传感器出厂时的连接电缆，否则，会给测量带来误差！电压放大器电压放大器作用在压电元件上的力为交变力：作用在压电元件上的力为交变力： sinmFFt在压电元件上产生的电荷：在压电元件上产生的电荷：33qd F压电式传感器不能测量静态量压电式传感器不能测量静态量!电压放大器输出端电压电压放大器输出端电压ui的幅值

20、的幅值:3321()mimdFRURC若作用力是静态力（若作用力是静态力（w=0），则），则Uim0电荷放大器：电荷放大器： 输出电压输出电压uo与压电元件的电荷与压电元件的电荷q成正比。成正比。电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路 AuoCiqCaCeCrf反馈电容反馈电容Cf具有深度电容负反馈的具有深度电容负反馈的高增益运算放大器高增益运算放大器由于运算放大器输入阻由于运算放大器输入阻抗极高，抗极高， 放大器输入端放大器输入端几乎没有分流，故可略几乎没有分流，故可略去前端并联的电阻。去前端并联的电阻。电荷放大器的输出电压只与反馈电容有关，而与电荷放大器的输出电压只与反馈电容有关，而与连接电

21、缆无关，更换连接电缆时不会影响传感器连接电缆无关，更换连接电缆时不会影响传感器的灵敏度，这是电荷放大器的最大优点。的灵敏度，这是电荷放大器的最大优点。 ofquC输出电压：输出电压：应用应用压电式测力传感器压电式测力传感器压电元件是典型的压电元件是典型的力敏感元件力敏感元件。可用来测量最终能转换为。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。在检测技术中，常用来测量力和加速度。力的多种物理量。在检测技术中，常用来测量力和加速度。 工作原理：工作原理：整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。传感器整体整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。传感器整体与被测试件具有相同频率的振动，质量块产生正比于加速度的交

22、变与被测试件具有相同频率的振动，质量块产生正比于加速度的交变力作用在晶片上。晶片由于压电效应，产生相应数量的表面电荷。力作用在晶片上。晶片由于压电效应，产生相应数量的表面电荷。应用应用压电式加速度传感器压电式加速度传感器由于压电陶瓷元件的自由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切前部的下方，当进行切削加工时，削加工时， 切削力通过切削力通过刀具传给压电传感器，刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录换为电信号输出，记录下电信号的变化便可

23、测下电信号的变化便可测得切削力的变化。得切削力的变化。 应用应用金属加工切削力测量金属加工切削力测量利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力压电传感器输出信号刀具玻璃破碎时会产生玻璃破碎时会产生10k15k的高频声音信号，该信号可使压电的高频声音信号，该信号可使压电传感器的压电元件产生正向的压电效应。利用压电元件对振动传感器的压电元件产生正向的压电效应。利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，再经放大、滤波、比较等处理后提把振动波转换成电压输出，再经放大、滤波、

24、比较等处理后提供给报警系统。供给报警系统。应用应用压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器执行机构比较带通滤波放大传感器玻璃压电振动传感器压电振动传感器 MS118.50 RMB某些晶体当沿着一定方向受某些晶体当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时，到机械力作用发生变形时，就产生了极化效应；当机械就产生了极化效应；当机械力撤掉之后，又会重新回到力撤掉之后，又会重新回到不带电的状态不带电的状态只能够测量动态的应力。只能够测量动态的应力。 超声波传感器超声波传感器 SZW-R40-10P1SZW-R40-10P1 10.0010.00元元/ /对对 RMBRMB超声波传感器的原理超声波传感器的原理

25、 人能听到的声音频率为：人能听到的声音频率为：20Hz20kHz20Hz20kHz，即为可听声波，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即超出此频率范围的声音，即20Hz20Hz以下的声音称为低频声以下的声音称为低频声波，波，20kHz20kHz以上的声音称为超声波。超声波为直线传播方以上的声音称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。压电式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。压电式超声波传感器的探头常用材料是式超声波传感器的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷压电晶体和压电陶瓷，是利用压电材料的，是利用压电材料的压电效应压电效应来工作的。逆压电效应将来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为作为发射探头发射探头；而利