第3讲 压电式传感器

1、传感器原理及应用,主讲人：任爽,第2章压电压磁式传感器,概述,传感器原理及应用,第一部分压电式传感器,主要内容1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.等效电路与测量电路5.压电传感器的应用,1.1压电效应,某些物质（晶体、陶瓷）：当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。,传感原理及应用,压电元件,正、负压电效应,机械能,电能,传感器原理及应用,压电晶片,人工合成水晶,1.2压电材料,按特定方向切片,1.2.1压电晶体,1.压电晶体及压电效应,传感器原理及

2、应用,硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影,2.电偶极矩分析,电偶极矩分析,电偶极矩,电偶极矩分析,电偶极矩,电偶极矩,石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现正电荷；当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷；,归纳：,3.作用力与电荷的关系,若从晶体上沿y方向切下一块如图5-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内

3、，极化强度P11与应力x成正比。,压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d为压电系数在X轴方向施力时,产生电荷大小为:1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:2为Y方向应力压电系数d11=-d12为常数a、b是晶体切片几何尺寸(厚、长),关系式：,4.对压电材料特性要求,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。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

4、性能不随时间变化。,1.2.2压电陶瓷,压电陶瓷谐波器,超声波医学压电陶瓷晶片,压电陶瓷蜂鸣器,打火用压电陶瓷,1.2.2压电陶瓷,陶瓷压电效应,陶瓷压电逆效应,1.2.3新型压电材料,聚偏氟乙烯压电效应,1.3压电元件结构形式,1.3压电元件结构形式,C串=C/2，U串=2U，Q串=Q,C并=2C，U并=U，Q并=2Q,1.4等效电路与测量电路2.4.1压电传感器等效电路,1.4.1压电传感器等效电路,电压灵敏度电荷灵敏度它们之间的关系,压电传感器的测量电路,前置放大器的作用：（1）放大（2）阻抗转换,1、电压放大器,前置放大器输入端电压幅值：,输入电压与作用力间的相位差：,前置放大器输入端

5、电压：,时间常数,输入电压与作用力间的相位差：,时间常数,讨论：,适合测量高频交变力,由运算放大器构成的电压比例放大器,2、电荷放大器,1.4.2测量电路（2）电荷放大器,可见：电荷放大器中，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。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。,第二部分压磁式传感器,压磁式测力称重传感器,车轮传感器,2.1基本原理,1、铁磁性物质磁化过程,2.1基本原理,2.磁致伸缩:某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩。,3.铁磁材料的压磁应变灵敏度,式中：磁导率的

6、相对变化；l在机械力的作用下铁磁物质的相对变形,工业纯铁的和l的关系,2.1基本原理,4.压磁效应:铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而也使材料的磁化强度发生相应的变化。这种应力使铁磁材料的磁性质发生变化的现象称为压磁效应。,5.压磁应力灵敏度,单位机械应力,所引起的磁导率相对变化,压磁传感器:用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩),变换链,2.2压磁元件结构和工作原理,四孔圆弧型冲片,六孔圆弧型冲片,中字型冲片,天字型冲片,1用一个方向磁导率的变化的传感器,2用两个方向上磁导率的改变,用一个方向磁导率的变化,(a)(b):测量压力用

7、的传感器,与电感传感器相似，它通过改变磁导率来达到电感值的改变。,式中:L-传感器的电感；K1K2-与激磁电流大小有关的系数，在一定条件下可认为是近似的常数。,(e)(d):与互感形传感器相似,式中:E2传感器输出感生电势；u1原端励磁电压；W1，W2一次和二次绕组的匝数；K(P)系数，它与激磁电流频率及幅值有关同时也与被测力P有关,(c):压磁应变片,在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕组，使用时将它粘在被测应变的工件表面，使其整体与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率改变、导致电感值改变。这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压器形传感器，常称为互感型压磁应变片。,2.用两个方向上磁

8、导率的改变,常用来测量几万牛顿的压力，耐过载能力强，线性度3%-5%。,第三部分压电传感器的应用,（1）压电式压力传感器,25压电传感器的应用,（1）压电式压力传感器,25压电传感器的应用,（1）压电式压力传感器,25压电传感器的应用,（1）压电式压力传感器,25压电传感器的应用,（1）压电式压力传感器,25压电传感器的应用,压电式压力传感器,25压电传感器的应用,（2）压电式加速度传感器,压电式加速度传感器,壳体,弹簧,质量块,压电片,F=ma,Fa又qFqa,压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速

9、度的大小。,a、结构,压电式加速度传感器,b、检测过程,25压电传感器的应用,（3）压电式流量计,25压电传感器的应用,（a）腰轮流量计,25压电传感器的应用,（b）涡流流量计,25压电传感器的应用,（c）压电涡街流量计,(d).压电式超声波流量计,此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。,根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况,利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(

10、如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。,（4）水深测量仪,25压电传感器的应用,（5）压电式玻璃破碎报警器,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,使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,（6）汽车安全气囊系统,事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体,（7）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。,高分子压电电缆的应用演示,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。,（8）压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量,（9）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