第6章 压电式传感器

1、1,1,压电式传感器,压电式传感器,2,2,压电式传感器,1压电效应2压电材料3等效电路4测量电路5压电式传感器的应用举例6影响压电式传感器精度的因素分析本章要点,3,3,4,4,工作原理：当把点火器的操作手柄(5)沿轴线方向推入并逆时针旋转时，点火器内部的燃气阀被打开，燃气进入点火器被气阀分成两路，一路流向点火喷嘴，经导气管喷出，另一路经喷嘴流入炉具，在手柄逆时针旋转的同时，安装于燃气阀上的拨块被手柄轴带动同步转动。拨块上的拨爪将撞块拨动，使撞块在安装槽中作直线运动，弹簧被压缩，当手柄转动约90度时，拨块的拨爪自动脱开撞块，这时，撞块在弹簧的作用下撞击压电晶体，由于压电效应，使压电晶体两极间

2、产生13000伏以上的高压。经过高压导线(3)和放电针在放电针尖端和导气管之间产生电火花，点燃从导气管中喷出的燃气。火焰在燃气压力的作用下冲向炉具的火头，点燃从火头中喷出的燃气。完成一次自动点火。当手离开手柄后，手柄全自动退回原位，将点火喷嘴这一气路自动关掉，导气管(2)喷出的火焰被自动熄掉。这是DDQ系列点火器的优点之一。,5,手动开关,气阀,高压线,燃烧盘,点火针,压电晶体,气源,煤气灶电子点火器,6,6,7,7,BGl、R1和变压器B1的绕组L1、L2构成自激式振荡器，R1是BGl的基极限流电阻，在Bl的次级L3上得到约30伏的交流电压，经D1整流后给C2充电，同时又经R2向c1充电，当

3、c1上的电压大于T1的导通电压时，可控硅T2导通，使C2上的电压迅速通过T2和B2初级放电，在B2的次级L2上产生约1万伏的高压。图4是印刷线路板图。,8,8,绪论,压电传感器是一种典型的发电型传感器，以压电材料(晶体)的压电效应为基础，在外力作用下在晶体表面产生电荷，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。,压电加速度传感器,动态压力传感器,9,9,正压电效应：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改

4、变时，电荷极性也随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应，习惯上称为正压电效应。,1.概念：压电效应,10,10,6.1压电效应,逆压电效应：当在晶体的一定方向上施加电场，晶体本身产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。（电致伸缩效应）,11,11,6.1压电效应,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输出电压的频率与动态力的频率相同。,当力作用在晶片时，在上下表面产生电荷。,随着作用力的减小，积累电荷数减少。,当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,12,12,6.1压电效应,压电效

5、应能量转换的几种基本形式,厚度受压型,长度受压型,13,13,1压电效应,厚度切变型,平面切变型,厚度切变型,体积受压型,14,14,1压电效应,石英晶体(单晶体),X,纵向轴Z称为光轴,经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴称为电轴。,与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。,石英晶体属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈棱柱正六面体,沿各方向特征不同。,1.1石英晶体的压电效应,15,外形结构,光轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应。电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最显著。机械轴（Y轴）：垂直XZ面，在电场作用下，

6、该轴方向的机械变形最大。,16,16,6.1压电效应,天然形成的石英晶体外形,1.1石英晶体的压电效应,17,17,1压电效应,天然形成的石英晶体外形,18,18,6.1压电效应,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,19,6.1压电效应,按特定方向切片,人工合成水晶,20,20,6.1压电效应,石英晶体振荡器（晶振）,晶振,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,21,21,6.1压电效应,纵向压电效应沿X方向(电轴)施加正应力时，在垂直于X轴方向产生电荷。横向压电效应沿Y方向施加正应力时，在垂直于X轴方向产生电荷。沿Z方向的(光轴)的力作用时不产

7、生压电效应。,压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,22,22,代表Si4+,代表O2-,六方晶系，每个晶体单元中有三个硅离子和六个氧离子，在Z平面上的投影等效为正六边形排列,23,23,6.1压电效应,电偶极矩p=ql,q为电荷量,l为正负电荷之间距离，矢量方向从负电荷指向正电荷。,24,24,6.1压电效应,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120夹角的电偶极矩p1、p2、p3。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即p1+p2+p3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。,a）石英晶体未受外力作用,25,25,6.1压电效应,b）受到X方向的压力纵向压电效应,晶体

8、沿X方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。电偶极矩在X方向上的分量由于p1的减小和p2、p3的增加而大于零,在X轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在Y、Z方向上的分量仍为零,不出现电荷。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。,26,26,6.1压电效应,c）受到Y方向的压力横向压电效应,当晶体受到沿Y轴方向的压力作用时,p1增大,p2、p3减小。在垂直X轴表面上出现电荷,它的极性为X轴正向为负电荷。在Y轴方向上不出现电荷。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。,27,27,6.1压电效应,d）受到Z方向的力没有压电效应产生,如果沿Z轴方向施加作用力,因

9、为晶体在X方向和Y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿Z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。,28,28,6.1压电效应,石英晶体压电模型,29,29,6.1压电效应,X轴向受力：Y轴向受力：Z轴向受力：无,30,压电方程：,压电效应可用压电方程来表示：Q=dF,d-一定方向的力，在相应表面产生电荷的系数，,通用方程：,i=1、2、3，表示晶体的极化方向电荷面的轴向即产生电荷的表面垂直xyz,j=1、2、3施加力的方向，表示沿xyz轴方向的作用的单向应力，拉为正,j=4、5、6施加力的方向，表示垂直xyz轴的平面内作用的剪切力,x,y,z,1,

10、2,3,4,5,6,31,压电常数矩阵,石英晶体的压电常数矩阵,沿Z轴方向施加单向应力时，在任何面上都不会产生电荷,无论在哪个方向受力，都不会在垂直Z轴平面上产生电荷,在沿x、y轴方向加单向应力时，在垂直y轴平面上不会产生电荷,同理可以分析剪切力的情况,32,32,6.1压电效应,电荷符号与受力方向的关系,结论：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；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。根据dij大小，可以确定在哪个方向上压电效应最显著,33,33,石英晶体压电模型动画演示,34,34,1压电

11、效应,1.2压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷是人工合成的，经过极化处理后的多晶铁电体。,烧制后的原始陶瓷,分子自发形成的区域，有一定的极性，存在一定电场,电畴,在一定温度下施加强直流电场，迫使电畴趋向外电场方向做规则排列，电场去掉后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，呈现出压电特性,35,35,6.1压电效应,压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料，而后者是单晶体。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。压电陶瓷在未进行极化处理时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，不具有压电

12、效应；经过强电场极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。,36,36,6.1压电效应,37,37,6.1压电效应,晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：,电荷密度：d33压电陶瓷的纵向压电常数，d33比d11、d12大的多，所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高,38,38,6.2压电材料,钛酸钡毛坯和晶体,39,39,2压电材料,选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑：转换性能：要求具有较大压电常数。机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚

13、度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能：希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。,2.1压电材料的选取,40,40,6.2压电材料,在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中

14、。,石英晶体,41,41,6.2压电材料,石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。,42,42,6.2压电材料,压电陶瓷主要有以下几种：1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是

15、居里点温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,压电陶瓷,43,43,6.2压电材料,2)锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（ZrTi）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,44,44,6.2压电材料,1)压电半导体材料压电半导体材料有ZnO、CdS、ZnS、CdTe等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优

16、点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。,新型压电材料,45,45,6.2压电材料,2)高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。,6.3等效电路,3等效电路,压电式传感器等效电路,当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘

17、体的电容器。电容量为：,故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。,6.3等效电路,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为：,因此，压电传感器还可以等效为电压源U和一个电容器Ca的串联电路，如图(c)。,48,48,6.3等效电路,如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。,压电传感器的完整等效电路,Ca传感器的固有电容Ra传感器的漏电阻Cc连线等效电容Ci前置放大器输入电容Ri前置放大器输入电阻,49,49,6.3等效电路,实际电压源等效电路,实际电荷源等效电路,压电片本身的内阻很高，输出能量小，需接高输

18、入阻抗的前置放大器。,50,50,6.3等效电路,（1）压电式传感器的前置放大器有两个作用：,把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。,（2）前置放大器形式：,电荷放大器：把压电元件高内阻的电荷源变为传感器低内阻的电压源，使其输出电压与输入电荷成正比；,电压放大器:其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；输出电压灵敏度受分布电容的影响；,51,51,放大器输入端等效电路,6.4测量电路,52,52,1、电压放大器,i,53,53,1、电压放大器,Ui的幅值,相位,i,54,54,6.4测量电路,Ui的幅值,=0，作用在压电元件上的力是静态力，则Uim=

19、0,理想情况下，R为无限大，因而放大器输入电压幅值为：,说明：理想的情况下前置放大器输入电压与频率无关,什么情况？,55,55,令=RC，为测量回路的时间常数，并令1=1/，则可得:,电压幅值比和相角与频率比的关系曲线,6.4测量电路,讨论：压电传感器不能测量静态物理量；当/13时输入与信号频率无关，高频响应特性好，优点；提高低频响应的办法是增大，但不能靠增加输入电容Ca，因为电压灵敏度与电容成反比。实际是增大前置输入回路电阻Ri。,57,57,6.4测量电路,=0时，Uim=0。压电传感器不能测量静态物理量,分析：,/13时，Uim/Um1。运算放大器输入电压与信号频率无关。,当1一定时，压

20、电传感器具有很好的高频响应特性。,扩大低频响应范围，就必须提高测量回路的时间常数,当被测量是缓慢变化的动态量，而测量回路又不大时，会造成传感器的灵敏度下降，怎么办？,问题：,答案：,=RC，,58,58,6.4测量电路,增大R，R=Ra+RiRa-传感器本身的绝缘电阻，很大（取决于材料）Ri-运放的输入电阻增加输入电容C，将导致电压灵敏度的下降。实际是增大前置输入回路电阻Ri。,=RC，,提高低频响应的办法是增大测量回路的,59,59,6.4测量电路,传感器电压灵敏度:,当R1时，,电缆电容,传感器的固有电容,放大器的输入电容,6.4测量电路,讨论：压电传感器不能测量静态物理量；当/13时输入

21、与信号频率无关，高频响应特性好，优点；提高低频响应的办法是增大，但不能靠增加输入电容Ca,因为电压灵敏度与电容成反比。实际是增大前置输入回路电阻Ri。从传感器电压灵敏度ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。,61,61,6.4测量电路,说明：当被测信号频率足够大时，电压放大器输入电压与信号频率无关，即传感器电压灵敏度系数与频率无关。压电式传感器具有很好的高频响应特性。从传感器电压灵敏度ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压

22、放大器的缺点。,62,62,6.4测量电路,电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。,式中：Uo放大器输出电压；Uf反馈电容两端电压。,2电荷放大器,63,63,6.4测量电路,2电荷放大器,64,64,6.4测量电路,求解过程,基本电路（A无限大、Ri无限大的理想放大器）,分压,系统的实际等效电路分析（A有限大、C=Cc+Ca+Ci）,A为运放的开环增益，一般为104106。结果与C无关。,65,65,6.4测量电路,讨论：电荷放大器的输出电压UO只取决于输入电荷Q和反馈

23、电容Cf，输出电压与电缆电容Cc无关，且与Q成正比，这是电荷放大器的突出优点。考虑不同量程因素Cf的容量做成可以选择的电容，一般为100104pF。缺点是电路复杂，价格昂贵。使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。,66,66,5压电式传感器的应用举例,5压电式传感器的应用举例,压电元件的连接,单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。,67,67,5压电式传感器的应用举例,图a）从电路上看，这是

24、并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。,68,68,5压电式传感器的应用举例,并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。,压电式压力传感器,压电式压力传感器特性,1、压电式力传感器,传感器上盖为传力元件,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶

25、片上。,6.5压电式传感器的应用举例,压力P作用膜片，压电元件表面产生电荷,6.5压电式传感器的应用举例,1）行驶中称重：在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用，我国也逐渐开始应用，其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统，即判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，并根据超载量罚款。,6.5压电式传感器的应用举例,2）压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测

26、量系统的输出波形。,6.5压电式传感器的应用举例,6.5压电式传感器的应用举例,6.5压电式传感器的应用举例,3)交通监测,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、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,6.5压电式传感器的应用举例,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,高分子压电电缆的应用演示,6.5压电式传感器的应用举例,6.5压电式传感器的应用举例,压电传感器位于车刀前部的下方,

27、当进行切削加工时,切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便测得切削力的变化。,4）压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量,6.5压电式传感器的应用举例,6.5压电式传感器的应用举例,6.5压电式传感器的应用举例,5）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,6.5压电式传感器的应用举例,压电式加速度传感器具有良好的频率特性，量程大，结构简单，使用方便。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数,即,2、压电式加速度传感器,6.5压电式传感器的应用举例,6.5压电式传感器的应用举例,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,粘贴位置,3、玻璃打碎报警装置,6.5压电式传感器的应用举例,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