压电式传感器

1、压电式传感器,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。,第一节 压电传感器的工作原理,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。,压电效应：某些物质受力作用时

2、，表面 电荷产生的现象。 这种现象是可逆的。,是一种发电式传感器 是一种典型的双向传感器,压电式传感器的工作原理是以某些物 质的压电效应为基础的。,压电元件具有自发电和可逆两种重要性能。体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高。,优点,无静态输出、输出阻抗高、工作温度较低。,缺点,压电效应,Def：,某些晶体在压力作用下，不仅产生形变，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，形成电场，去除外力后又重新回到不带电荷的平衡状态，这种现象称为压电效应。,一、压电效应,Def：,将具有压电效应的晶体置于电场中，其几何尺寸（或应力）发生变化，撤去外界电场后，又恢复原状的现象，称为

3、逆压电效应。,压电效应,一、压电效应,压电晶体,F,F,机械能,电能,压电效应,逆压电效应,压电效应,一、压电效应,压电效应,一、压电效应,压电电源、自动点火装置、测压力、 加速度、振动（力敏元件）等。,压电效应,一、压电效应,正压电效应的应用：,逆压电效应的应用：,超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器、电子手表、微驱动等。,压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声纳、压电声表面波器件。,压电效应,一、压电效应,正、逆压电效应的应用：,生物具有压电性。 人的各种感官是生物压电传感器。,二、压电材料的分类及特性,压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 一类是压电单晶体 （如上述的石英晶体如si

4、o2）； 另一类是压电多晶体 经过极化处理的压电陶瓷； 第三类是新型压电材料 高分子压电材料、压电半导体。,（一）石英晶体,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形,压电材料,一、压电单晶体,光轴 z 电轴 x 机械轴 y,压电材料,一、压电单晶体,沿光轴的作用力，不产生压电效应，又称为中性轴。,压电材料,一、压电单晶体,电轴 x,与z轴垂直的平 面内，平分相邻柱 面的内夹角.,垂直于此轴的晶面上具有最强的 压电效应。,压电材料,一、压电单晶体,电场作用下，沿此方向逆压电效应最强.,纵向压电效应,压电材料,一、压电单晶体,纵向压电效应,压电材料,一、压电单晶体,沿X轴作用力Fx，在与X轴

5、垂直的 表面上产生电荷。,横向压电效应,压电材料,一、压电单晶体,横向压电效应,压电材料,一、压电单晶体,沿Y轴作用力Fy，在与X轴垂直的 表面上产生电荷。,-K横向压电常数,Sx,l,切向压电效应,压电材料,一、压电单晶体,Fy,Fy,Fx,Fx,切向压电效应,压电材料,一、压电单晶体,大小与剪应力成正比，与晶体尺寸 无关,垂直X轴作用力x，在与Y轴垂直的 表面上产生电荷。,垂直Y轴作用力y，在与X轴垂直的 表面上产生电荷。,（二）压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷

6、材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。,多种材料烧结而成，制作方便，成 本低； 压电常数是压电晶体的数百倍，灵 敏度大； 稳定性差。,压电材料,一、多晶体压电陶瓷,压电陶瓷外形,（三）高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。 它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。 它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,高分子压电薄膜及拉制,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,P

7、IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,一、等效电路,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,一、等效电路,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,一、等效电路,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,一、等效电路,ea：开路电压； q:压电晶片表面上的电荷； Ca 为压电晶片的电容。,2. 测量电路,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,一、等效电路,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,二、灵敏度,F,Q,U,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,二、灵敏度,kq Q / F (1),ku U / F (

8、2),两者关系： kq ku Ca (3),P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,二、灵敏度,问：如何提高灵敏度？,提高输出电荷Q 提高输出电压U,P IEZO Sensor,压电式传感器,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,二、灵敏度,问：如何提高灵敏度？,多个压电晶体并联,Qn Q,UU,Cn C,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,二、灵敏度,问：如何提高灵敏度？,多个压电晶体串联,Q Q,Un U,C C /n,放大器电路的作用：,信号放大 放大传感器微弱的输出信号。 阻抗转换 把高阻抗输入转换成低阻抗输出。,P IEZO Sensor,4

9、 等效电路与测量电路,三、放大电路,两种放大电路：,电压放大器 输出电压与输入电压成正比。 电荷放大器 输出电压与输入电荷成正比。,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,三、放大电路,压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：,(1) 放大微弱的压电信号,(2) 进行阻抗匹配,电压放大器,电荷放大器,(1).主要作用,电压放大器,-A,U,Ui,U。,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,三、放大电路,电荷放大器,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,三、放大电路,qqt+qf= ui(Ca+Cc+Ci)+(ui-uy)

10、Cf= uiC+ (ui-uy)Cf,ui=(q+uyCf)/(C+Cf),推导,(3).电荷放大器,电荷放大器的突出特点：电缆长度及其 分布不影响传感器正常工作。,电荷放大器的截止频率低、是电压放大器截止频率的1/A.,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,三、放大电路,性能比较,P IEZO Sensor,4 等效电路与测量电路,三、放大电路,无静态输出； 输出阻抗高； 体积小，结构简单，工作可靠； 固有频率高，动态响应好，灵敏度高； 压电式传感器是发电式、双向传感器。,一、应用特点,P IEZO Sensor,5 应用,传感器：主要用于测力、振动、加速度 压电元件： 自动点

11、火，如打火机； 扬声器，如贺卡、手机等蜂鸣器； 驱动，如压电马达、电子手表。,压电式传感器是一种力敏传感器。,P IEZO Sensor,5 应用,二、应用范围,力敏传感器 如触觉传感器、脉搏计、血压计等。 声敏传感器 如拾声器、超声波探测器、助听器等。 加速度传感器 如压电加速度传感器、压电陀螺等。,P IEZO Sensor,5 应用,二、应用范围,压电式加速度传感器,电式加速度传感器结构图,压电式刀具切削力测量示意图,压电式金属加工切削力测量 由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。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可测得切削力的变化。,P IEZO Sensor,5 应用,三、应用实例,东风十一型短程