压电式传感器-new

1、压电式传感器,压电式传感器,一、压电效应 二、压电材料压电特性 三、等效电路与测量电路 四、压电传感器及其应用 五、影响压电传感器工作的主要因素,压电式传感器是一种典型的自源型传感器； 基于具有可逆性的压电效应，是一种典型的“双向传感器”。 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。 应用于各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。,6.1 压电效应,1. 压电效应 某些电介质在沿一定方向上受外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改

2、变时，电荷的极性也随之改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会发生变形，去掉电场，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。,6.2 压电材料,1、主要特性参数*： （1）压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数，与压电输出灵敏度有关。 （2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有频率和动态特性。 （3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 （4）机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量与输入能量之比的平方根，是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）电阻：压

3、电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6）居里点温度：压电材料丧失压电特性的温度。,2、压电材料分类 1）压电晶体(单晶体)-石英晶体（SiO2） 硅材料为立方晶体,是各向异性材料。许多物理特性取决于晶向，如弹性性质、压电性质。 单晶硅具有很好的热导性，是不锈钢的5倍，而热膨胀系数则不到不锈钢的1/7。 2）压电陶瓷(多晶半导体) 3）新型压电材料,3、石英晶体与压电特性 石英晶体是单晶体结构，各向异性特点突出。天然石英晶体的理想外形是六角棱柱体，其结构在晶体学中可用三坐标轴表示，其中纵轴Z-Z称光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X-X轴称电轴；与X-X轴和Z-

4、Z轴都垂直的Y-Y轴（垂直六角棱柱体棱面）称机械轴。 通常把沿X向的力作用下产生 电荷的压电效应称“纵向 压电效应”，把沿Y向的力 作用下产生电荷的压电效 应称“横向压电效应”， 沿Z向受力无压电效应。,Z,X,Y,(a),(b),Z,X,石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系,石英晶体切片* 假设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。,石英晶体切片坐标图,石英晶体切片图,压电特性 晶体受x方向的压力Fx作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。 在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷

5、qx与作用力Fx成正比，即 qx=d11Fx 其中，d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体的d11=2.31x10-12C/N； qx-垂直于X轴平面上的电荷； Fx-沿X轴方向的作用力,压电系数dij有两个下标，即i和j，其中下标i（i=1，2，3）表示在i面上产生的电荷，例如i=1，2，3分别表示在垂直于x、y、z轴的晶片表面即x、y、z面上产生的电荷。 下标j=1，2，3，4，5，6，其中j=1，2，3分别表示晶体沿x、y、z轴方向所受的正应力；j=4，5，6则分别表示晶体在x、y、z面上所受的剪切应力。 电荷qx的符号表示受压力还是受拉力 切片上产生的电荷多

6、少与切片的尺寸 无关，即qx与Fx成正比。 晶片电荷极性与受力关系如图,若在同一切片上,沿机械轴y方向加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为 qy=d12(L/a)Fy 式中，d12-y向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性,有d12=-d11；qy-垂直于x轴平面上的电荷；Fy-沿y向加的作用力；L、a-晶体切片的长度、厚度。 Y向作用力在晶体产生的电荷与晶体切片的尺寸有关。 Y向作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所产生的电荷极性相反，如图。,压电晶体电荷极性与受力的关系,当石英晶体沿z方向受力时，由于晶体沿x方向和y方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石

7、英晶体不会产生压电效应，即d13=0。 石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。,当石英晶体无外力作用时，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，如图（a）。 由于p=ql，q为电荷量，l为正负电荷之间的距离。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。 小结： 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

8、 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。,4、压电陶瓷及其压电特性 压电陶瓷是人造多晶材料，有类似铁磁材料磁畴结构 的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，有一定的极 化方向，从而存在一定电场。无外电场作用时，各电畴 在晶体上杂乱分布，其极化效应相互抵消，原始压电陶 瓷内极化强度为零（图a)。当原始压电陶瓷受外电场 (2030kV/cm)作用时，其内部各电畴的自发极化发生转 动，趋向按外电场方向排列，使材料得到极化，如图b， 此过程称人工极化。 极化处理后， 撤销外电场， 陶瓷内部仍有 很强的剩余极 化。从而呈现 压电性。,(a)极化处理前,(b)极化处理中,(c)极化处理

9、后,剩余极化的存在，使极化后的压电陶瓷在其两端出现 束缚电荷。但用电压表在陶瓷片的两电极上测量时，却 测不出陶瓷片内部存在的极化强度。原因是陶瓷片内的 极化强度总以电偶极矩的形式呈现，也即陶瓷的一端出 现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。束缚电荷使陶 瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些 自由电荷与陶瓷片内束缚电荷符号相反数量相等，它起 着屏蔽和抵消陶瓷片内 极化强度对外界的作用。,如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶 瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚 电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸 附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，从而出现放 电荷

10、现象。压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀 过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度变 大，因此电极上又吸附一部分 自由电荷而出现充电现象。这 种现象就是正压电效应。,同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场方向与极化强度的方向相同，所以电场作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内正负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由电效应转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象称逆压电效应。, , , , ,极化方向,电场方向,逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，

11、 虚线代表形变后的情况）,压电陶瓷的压电效应源于其内部的自发极化。这些自发极化经外部极化处理而被迫取向排列后，陶瓷内存在剩余极化强度。若外界作用（压力或电场）使此极化强度变化，陶瓷出现压电效应。 陶瓷内的极化电荷是束缚电荷(非自由的)，这些束缚电荷不能自由移动。所以陶瓷中产生的放电或充电现象是通过陶瓷内部极化强度的变化引起电极面上自由电荷释放或补充的结果。 通常把压电陶瓷的极化方向规定为Z轴，即对称轴。极化压电陶瓷的平面是各向同性的，在垂直Z的平面内可任选一个正交轴系，其X轴和Y轴可互易。 对于Z轴极化的BaTiO3压电陶瓷,其独立压电常数只有d31, d33, d15三个。 可见压电材料不是

12、任何方向都有压电效应。,6.3 等效电路与测量电路 1 、 等效电路 当压电晶体受被测力作用时，它的两个极面上出现 极性相反、电量相等的电荷。压电元件可看成一个静电 发生器（图a）。也可视为两极板上聚集异性电荷，中 间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为,q,q,电极,压电晶体,Ca,(b),(a),压电传感器的等效电路,当两极板聚集异性电荷时，两极板呈现一定的电压，其大小为,压电元件可等效为电压源Ua和一个电容Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容Ca的并联电路，如图(b)。,仅当压电元件内信号电荷无“漏损”，外接负载无穷大时，压电元件受力产生的电压或电荷才能长期保

13、存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。 事实上，元件内部不可能无泄漏，外电路负载不可能无穷大，只有外力以较高频率不断作用，传感器的电荷才得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。,如果用导线将压电器件和测量仪器连接, 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 Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容 Ra传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻,压电元件的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，压电元件绝缘电阻在1013

14、以上才能使内部电荷泄漏减少到可满足一般测试精度要求。与此相适应，测试系统应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。,2、测量电路 前置放大器的两个作用： 把压电元件的高输出阻抗变换成低阻抗输出； 放大压电元件输出的弱信号。 前置放大器形式： 电压放大器 输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比； 电荷放大器 输出电压与输入电荷成正比。 1）电压放大器,图（b）中等效电阻R为,Fm作用力的幅值,设压电元件所受作用力,C=Cc+Ci,而,等效电容,若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用下，压电元件产生的电压为,

15、Um电压幅值：,由图可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为,Ui的幅值为,输入电压与作用力之间的相位差为,令=R(Ca+Cc+Ci)，为测量回路的时间常数， 根据传感器电压灵敏度Ku的定义得,当R 时，(R)-1=0，理想情况的灵敏度为 当R1时，可得:KuKu*，,令测量回路角频率1=1/，可得:,根据理想和实际的电压灵敏度可得相对电压灵敏度k为,由上式和相位差作特性曲线，据此可得结论： 当1,即测量回路时间常数一定时， 作用力变化频率越高(实际只要=3)， 两者的乘积就远大于1，此时回路输出 电压灵敏度越接近理想情况，前置放大 器的输入电压Uim与频率无关。这说明， 压电式传感器具有好的

16、高频响应特性。,当1,即一定,被测动态量频率越低，变化越慢，电压灵敏度偏离理想情况越严重，使传感器灵敏度下降，动态误差=(k-1)x100%越大,相位误差也越大。 要扩大工作频带的低频端，必须提高测量回路的时间常数。但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。因此应加大等效电阻R，即要求前置放大器的输入电阻足够大。 设计、应用压电传感器时，应根据给定精度，合理选择电压放大器（Ri）或被测量的频带；对采用电压放大器的压电传感器，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。,2）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。若放大器开环增

17、益A0足够大，且放大器输入阻抗很高，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输入端时，电容CF将增大(1A0)倍。电导1/RF也增大(1A0)倍。所以,图中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，这是所谓“密勒效应”的结果。,运放输入电压：,输出电压：,当A0足够大时,传感器本身电容和电缆长短不影响电荷放大器输出, Uo只取决于输入电荷q及反馈回路的CF和RF。由于1RFCF,则,若考虑电缆电容Cc，则有,A0足够大输出与A0无关，只取决于输入q和反馈电容CF，改变CF可得所需电压输出。 CF一般

18、取100104pF。在Cf两端并联Rf=10101014,可制成直流负反馈，以减小零漂，提高稳定性。,运放开环放大倍数A0对精度的影响： 当频率很高时 及：,由此得A0105。对线性集成运放，这一要求现在不难达到。,例：Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)100m=105pF, 当要求1%时，则有,则产生的误差为,电荷放大器的高频上限取决于压电器件的Ca和电缆的Cc, Rc 由于Ca,Cc,Rc通常都很小，高频上限可高达180kHz。 当工作频率很低时，分母中的电导1/Ra+(1+A0)/RF与jCaCc(1+A0)CF的值相当，电导不可忽略。此时A0足够大，则 其幅

19、值为,可见： 压电式传感器配电荷放大器, 其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路参数RF和CF, 其中CF的大小可由所需电压输出幅度决定。当给定工作频带下限截止频率fL时,反馈电阻RF值也可确定。如当CF=1000pF,fL=0.16Hz时,则要求RF109。,Uo与q间的相位误差,当1/ RF = CF时， 这是截止频点的输出电压，增益下降3dB对应的下限频率为,6.4 压电传感器及其应用,1、 应用类型、形式和特点 2、 压电式加速度传感器 3、 压电式压力传感器,1. 变形方式 利用压电材料的物理效应可构成多种传感器，其中力 敏器件应用最多。压电材料不是任何方向都有压电效 应，选用和设

20、计压电器件必须了解具体力-电转换方式。 从压电常数可知对能量转换有意义的石英晶体变形方式: 厚度伸缩：纵向压电效应 长度伸缩：横向压电效应 厚度切变：剪切压电效应 长宽切变：面切压电效应 体积压缩：纵横向压电效应,2、组合方式 结构形状分：圆形、长方形、环形、柱状等 元件数目分：单晶片、双晶片和多晶片 极性方式分：串联、并联 并联：输出电容为单片电容C的两倍，但输出电压等于单片的电压，电荷量为单片电量的两倍， 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：输出总电荷量等于单片的电荷量，输出电压为单片的二倍，总电容为单片的一半 输出电压大，本身电容小，适用

21、于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。,3、结构和应用特点 凡能转换成力的机械量如位移、压力、冲击、振动加速度等，都可用相应的压电传感器测量，它们用以实现力电转换功能的基本结构是共同的。 下图所示的机械阻抗传感器的下半部为压电式力传感器，上半部为压电式加速度传感器。 由其可归纳出压电式传感器的 基本结构如下： 基座和外壳； 压电元件； 敏感元件； 预载件，即 压块、弹簧或螺栓螺母等； 引线及接插件,压电传感器基本结构 1一基座和外壳； 2一质量块；3、5一压电元件； 4、7一信号输出接头； 6一压块,应用特点 (1)灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；

22、 (2)体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，动态响应频带宽，动态误差小； (3)易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。 目前压电式传感器应用最多的仍是测力，尤其是对 冲击、振动加速度的测量。迄今在众多型式的测振传 感器中，压电加速度传感器占80以上。,4、压电加速度传感器 压电加速度传感器工作原理图 电荷灵敏度： 电压灵敏度： 压电加速度传感器结构形式主要有压缩型、剪切型和复合型。,压缩型结构:,1 壳体 2 预紧螺母 3 质量块 4 压电元件 5 基座 6 引线接头 7-预紧筒,隔离预载筒压缩式,正装中心压缩式,剪切型结构:,1 壳体 2 质量块 3 压电

23、元件 4 基座 5 引线接头 6 预紧件,中空柱形结构,三角剪切结构,复合型结构: 泛指那些具有组合结构、差动原理、合一体化或复合材料的压电传感器。,三向压电加速度传感器,组合一体化压电加速度传感器,1- 质量块 2-压电石英片 3-超小型阻抗变换器 4- 电缆插座 5-绝缘螺钉 6-绝缘垫圈 7-引线,压电式力和压力传感器: 压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力 电转换的传感器，在拉、压场合，通常采用双片或多片石英晶体作压电元件。,压电式三向动态测力仪 1 压电式力传感器； 2 密封接头；3 电缆； 4 压盖； 5 调节柱； 6 刀架,压电式压力传感器,压电式血压传感器,6.5 影响压电

24、传感器工作的主要因素*,1、横向灵敏度 横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的作用力，而对横向作用力不敏感。 定义（用轴向灵敏度Kz的百分表示）： 最大横向灵敏度= 一般横向灵敏度=,产生横向灵敏度的必要条件 （1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力 （2）压电元件本身具有横向压电效应消除横向灵敏度的 技术途径 （1）从设计、工艺和使用诸方面确保立力与电轴的一致 （2）尽量采取剪切型力 电转换方式一只较好的压电传感器，最乏横向灵敏度不大于5%,2 、环境温度和湿度 环境温度对传感器的影响主要通过三个因素： （1）压电材料的特性参数； （2）某些压电材料的热释电效应； （3）传感器结构。 环境温度变化会使压电材料的压电常数d、介电常数、电阻率和弹性系数k等机电特性参数发生变化。d 和k 的变化将影响传感器的输出灵敏度； 和的变化会导致时间常数RC的变化，从而使传感器的低频响应变化。,某些铁电多晶压电材料具有压电效应，通常这种热电输出只对频率