压电式传感器 (2).ppt

1、压电式传感器,Piezoelectric sensor,2020/7/2,压电式传感器,2,应用实例：高分子压电电缆,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。,2020/7/2,压电式传感器,3,压电式传感器 Piezoelectric sensor,压电传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。 压电效应具有自发性和可逆性，压电器件是一种典型的双向有源传感器。,2020/7/2,压电式传感器,4,主要内容 1 压电式传感器工作原理 2 等效电路及测量电路 3 压电式传感器的

2、应用,压电式传感器 Piezoelectric sensor,2020/7/2,压电式传感器,5,1 压电式传感器工作原理 Principle of piezoelectric sensor,压电效应 压电材料,2020/7/2,压电式传感器,6,压电效应 Piezoelectric effect,1）压电效应：某些物质当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料重新恢复到原来状态，这种效应称为正压电效应，简称压电效应。,2020/7/2,压电式传感器,7,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

3、的频率相同；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。,2020/7/2,压电式传感器,8,压电效应 Piezoelectric effect,三效应：,横向效应：沿y轴加力,切向效应：垂直z轴方向形成力矩。,纵向效应,横向效应,切向效应,石英晶体的三轴：,X轴电轴。在垂直于此轴的面上压电效应最强。,Z轴光轴，也称中性轴。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，沿该轴方向上没有压电效应。,Y轴机械轴。在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显。,纵向效应：沿x轴加力,2020/7/2,压电式传感器,9,2）逆压电效应(Reverse piezoelectric effect)：由于外电

4、场作用导致物体的机械变形现象，称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。,具有压电性的电介质（压电材料），能实现机-电能量的相互转换。,压电效应 Piezoelectric effect,2020/7/2,压电式传感器,10,压电材料 Piezoelectric material,压电材料：具有压电性的电介质。 主要参数： 压电常数(piezoelectricity constant)：衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出灵敏度。 弹性常数(elasticity constant)：材料的弹性常数（刚度）决定着压电器件的固有频率和动态特性。 介电常数(dielectric constant)

5、：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。,2020/7/2,压电式传感器,11,（续）主要参数： 机电耦合系数(machine-electrical coupling coefficient)：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 电阻(resistance)：压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。 居里点(curie point)：压电材料开始丧失压电性的温度。,压电材料 Piezoelectric material,2020/7/2,压电式传感器,12

6、,压电材料的分类： 压电晶体（piezoelectric crystal，单晶）：压电石英晶体和其他压电单晶。 压电陶瓷（piezoelectric ceramics，多晶半导瓷） 新型压电材料：压电半导体和高分子压电材料。,压电材料 Piezoelectric material,2020/7/2,压电式传感器,13,压电晶体 Piezoelectric crystal,具有压电性的单晶体统称为压电晶体。石英晶体是最典型而常用的压电晶体。,石英晶体（quartz，SiO2）,主要性能特点： 压电常数小，其时间和温度稳定性好。 机械强度和品质因数高，刚度大，固有频率高，动态特性好。 居里点573

7、，无热释电性，且绝缘性好、重复性,2020/7/2,压电式传感器,14,外形：,其他压电单晶,压电晶体 Piezoelectric crystal,2020/7/2,压电式传感器,15,压电陶瓷 Piezoelectric ceramics,压电陶瓷的极化处理 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。要使其具有压电性，必须作极化处理。 极化处理（polarization） ：在一定温度下对材料施加强直流电场，迫使“电筹”趋向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电筹基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现压电性。,2020/7/2,压电式传感器,16,性能特点： 压电常数大，灵敏度高

8、。 制造工艺成熟，成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。 具有热释电性。,常用的压电陶瓷,压电陶瓷 Piezoelectric ceramics,2020/7/2,压电式传感器,17,新型压电材料,压电半导体（piezoelectric semiconductor）：其显著特点是：既具有压电特性，又具有半导体特性。 有机高分子压电材料 合成高分子聚合物：质轻柔软，抗拉强度较高，蠕变小，耐冲击，热释电性和稳定相较好，便于批量生产和大面积使用。 高分化合物掺杂压电陶瓷的高分子压电薄膜：保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。,2020/7/2,压电式传感器,18,2 等效

9、电路和测量电路 Equivalent circuit and measurement circuit,等效电路 测量电路,2020/7/2,压电式传感器,19,等效电路 Equivalent circuit,压电器件实际上是一个电荷发生器，也可视为一个电容器。,2020/7/2,压电式传感器,20,（1）当需要输出电荷时，压电器件可等效成一个与电容并联的电荷源。,等效电路 Equivalent circuit,在开路状态，其输出电荷和电荷灵敏度分别为：,2020/7/2,压电式传感器,21,（2）当需要输出电压时，压电器件可等效成一个与电容串联的电压源。,等效电路 Equivalent cir

10、cuit,在开路状态，其输出电压和电压灵敏度分别为：,2020/7/2,压电式传感器,22,测量电路 Measurement circuit,压电器件的弱点及相应的措施： 高阻抗：进行前置阻抗变换 小功率：进行前置放大 前置放大器的两种形式： 电压放大器 电荷放大器 以上两种放大器必须具备两种功能：信号放大(signal amplifying)和阻抗匹配(impedance matching)。,2020/7/2,压电式传感器,23,1）电压放大器 Voltage amplifier,电压放大器又称阻抗变换器，它的主要作用是把压电器件的高输出阻抗变换为传感器的低输出阻抗，并保持输出电压与输入电

11、压成正比。,电压放大器的测量特性：,高频特性：当测量回路的时间常数一定，而被测频率愈高，则回路的输出电压灵敏度就愈接近理想情况，这表明，压电器件的高频响应特性好。,2020/7/2,压电式传感器,24,低频特性：被测频率愈低，电压灵敏度愈偏离理想情况，动态误差也愈大，同时相位角的误差也愈大。,1）电压放大器 Voltage amplifier,要保持低频工作时满足一定的精度，必须大大加大时间常数=RC。其途径： 增大回路电容C。但使K*um减小，不可取。 增大回路的等效电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，即要求放大器的输入电阻Ri足够大。,2020/7/2,压电式传感器,25,电压放大器的应用特

12、点： 在设计或应用压电传感器时，据其特性曲线，根据给定的精度，合理地选择电压放大器Ri或被测频率限f。 采用电压放大器时，其输出电压灵敏度受电缆分布电容Cc的影响。因此电缆的增长或变动，将使已标定的灵敏度改变。 电压放大器因其线路简单、成本低、工作稳定可靠而被采用。,1）电压放大器 Voltage amplifier,2020/7/2,压电式传感器,26,工作原理和输出特性：,电荷,传感器电容,连接电缆的寄生电容,2）电荷放大器 Charge amplifier,2020/7/2,压电式传感器,27,2）电荷放大器 Charge amplifier,电荷放大器的特点： 优点：在一定条件下，uy

13、与Q成正比，与Cc无关，采用电荷放大器时，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化。 缺点：电路复杂，调整困难，价格昂贵。,2020/7/2,压电式传感器,28,高、低频限：,2）电荷放大器 Charge amplifier,2020/7/2,压电式传感器,29,3 压电式传感器的应用,应用类型、形式和特点 压电式加速度传感器 压电式力和压力传感器 逆压电效应的应用,2020/7/2,压电式传感器,30,应用类型、形式和特点,力-电转换的变形方式 压电元件的结构与组合形式 结构和应用特点： 静态测量时，若负载不是无穷大，则泄漏电荷Q。 动态测量时，频率交变作用，Q不断补充。所以压电传感器

14、适于动态测量。,2020/7/2,压电式传感器,31,压电元件的结构与组合形式,结构：在压电晶片的两工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，外接两个引出线。,串接：传感器本身电容小，输出电压大，适于以电压作输出信号。,并接：A变大，电容量大，输出电荷量大，适于以电荷量作输出信号；时间常数大，宜于测量缓变信号。,2020/7/2,压电式传感器,32,压电式加速度传感器 Piezoelectric acceleration sensor,1）工作原理和特性,2）结构类型 压缩型 剪切型 复合型,2020/7/2,压电式传感器,33,压电式力和压力传感器 Piezoelectric force