第4章 压电式力学量传感器.ppt

1、1,第4章 压电式力学量传感器,2,目录,4.1 压电式传感器的工作原理 4.2 压电材料 4.3 压电式传感器的等效电路 4.4 压电式传感器的信号调节电路 4.5 压电式加速度传感器 4.6 压电式测力传感器,3,概念：当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等,4.1 压电式传感器的工作原理,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。,4,特点： 当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发

2、生变形时，其表面上会产生电荷； 若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比； 如对晶体施加一交流电压，晶体本身将产生机械变形，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）,5,天然结构的石英晶体（SiO2），它是个六角形晶柱。 在直角坐标系中 z轴表示其纵向轴，称为光轴； x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴； y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。,通常把沿电轴(x袖)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”； 而把沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”； 在光轴(z轴)方向受力时则不产生压电效应,晶体切片上电荷符号

3、与受力方向的关系,6,产生压电效应的原因：(1) x轴上受力 如果在x轴方向压缩，如图（b）所示，则硅离子1就挤入氧离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5之间。结果在表面A上呈现负电荷、而在表面B呈现正电荷。如果所受的力为拉伸，则硅离子1和氧离子4向外移，在表面A和B上的电荷符号就与前者正好相反。,7,产生压电效应的原因：(2) y轴上受力 如果沿y轴方向上压缩，如图（c）所示，硅离子3和氧离子2以及硅离子5和氧离子6都向内移动同一数值，故在电极C和D上仍不呈现电荷，而由于相对把硅离子l和氧离子4向外挤，则在A和B表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A和B上电荷符号与前者相反

4、。,8,产生压电效应的原因：（3）在z轴方向受力时 在z轴方向受力时，由于硅离子和氧离子是对称平移，故在表面上没有电荷呈现，因而没有压电效应。,9,压电元件在受到力作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。其计算公式如下,其中第一个角注i表示晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z铀)时，记作i1(或2或3)。 第二个下角注j1或2，3和 4，5，6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向作用的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内(即yz平面、xz平面、xy平面)作用的剪切力。 单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自旋转轴的正向看去使其I、II象限的对角线伸长。

5、,压电常数和表面电荷的计算,10,压电常数矩阵,11,由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意义的石英晶体变形方式有： 厚度变形（简称为TE方式)，如图 (a)所示。纵向压电效应 长度变形(简称LE方式）。如图 (b)所示。横向压电效应 面剪切变形(简称FS方式)。如图 (d)所示。 厚度的切变形(简称TS方式)。如图 (c)所示。 弯曲变形(简称BS方式)。拉、压应力和剪切应力共同作用 体积变形(简称VE方式)。针对压电陶瓷,12,选用压电材料应考虑以下几方面： 转换性能：具有较大的压电常数； 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高、刚度大、宽的线性范围和高的固有振动频率； 电性能；

6、希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围； 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。,4.2 压电材料,概念：压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料,13,石英。它是一种天然晶体，现在已有高化学纯度和结构完善的人工合成的石英晶体，压电系数d112.3110-12 CN。在几百度的温度范围内，压电系数不随温度而变。 水熔性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵(简称EDT)、酒石酸二钾(简称DKT)，硫酸锂。 属于正方晶系的有磷酸二氢钾(简称KDP)、磷酸二氢氨(简称A

7、DP)、砷酸二氢钾(简称KDA)、砷酸二氢氨(简称ADA)。,压电晶体,14,钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷。具有比较高的压电系效(d3310710 -12CN)和介电常数，机械强度不及石英。 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)压电系数较高(d33 (200-500) -12CN )，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一二种微量元素，如La、Nb、Sb、Sn、Mn、W等，可以获得不同性能的PZT材料。 铌酸盐系压电陶瓷。这一系中是以铁电体铌酸钾和铌酸铅为基础的。铌酸铅的介电常数低。在铌酸铅中用钡或锶替代一部分铅，可引起性能的根本变化，从而得到具有较高机械品质因素Qm的

8、铌酸盐压电陶瓷。铌酸钾是通过热压过程制成的，特点是适用于作10-40MHz的高频换能器。 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)。具有较高的压电系数(d33800-90010-12CN )，在压力大至700kg/cm2时仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。,压电陶瓷人工制造的多晶体,15,压电陶瓷产生压电效应的原理 极化前，晶粒内存在许多自发极化的电畴;自发极化作用相互抵消，陶瓷内极化强度为0 极化中，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，压电陶瓷具有一定极化强度 极化后，各电畴的自发极化在一定程度上按原来外加电场方向取向，存在剩余极化强度；极化两端出现束缚电荷,16,问题： 未受压前，为何不显示带电

9、特性？ 受压后，为何显示带电特性？,自由电荷与束缚电荷符号相反，数值相等，起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用,17,如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间距离变小，束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度也变小，因此，原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由于机械效应转变为电效应，或者说由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系,机理,

10、18,19,4.3 压电式传感器的等效电路,Ca=s/h U=Q/Ca,20,CC:连接电缆的等效电容（传感器与测量仪表连接） Ri:放大器的输入电阻 Ci:输入电容 Ca:传感器的电容 Ra:传感器的漏电阻,21,在压电式传感器中，压电材料一般不用一片，而常常采用两片(或是两片以上)粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。,并联 Q2Q， U U，C2C 串联 QQ，U 2U ，C C/2,并联,串联,22,在这两种接法中，并联接法输出电荷大、本身电容大、时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号

11、，并且测量电路输入阻抗很高的地方。,23,To China for china, China with china, dinner on china. Go front door buy front door, front door no front door, behind door with front door,华山再高，顶有过路（No matter how high a mountain is, one can always ascend to the top）,24,4.4 压电式传感器的信号调节电路,压电式传感器要求负载电阻Ri必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。 因

12、此常在压电式传感器输出端后面，先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。压电式传感器的测量电路关键在于高阻抗的前置放大器。 前置放大器有两个作用，第一是把压电式传感器的微弱信号放大；第二是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 压电式传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，所以前置放大器也有两种。,25,电压放大器(阻抗变换器）,输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比,Ra: 传感器绝缘电阻 Ri：前置放大器输入电阻 Ca：传感器内部电容 Cc：电缆电容 Ci：前置放大器输入电容,26,前置放大器的输入电压：,作用在压电元件上力为F：,在力F作用下产生的电荷：,复

13、数形式,理想情况下，R很大,令,Uim:实际输入电压的幅值 Uam:传感器开路电压的辐值,幅值：,相位差：,28,29,如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此，为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。 但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度Sv是与电容成反比。,为此，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。,讨论：,30,为了满足阻抗匹配要求，压电式传感器般都采用专门的前置放大器。,但是，压电式传感器在与阻抗变换器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电

14、压灵敏度降低 解决电缆问题的办法是将放大器装入传感器之中，组成一体化传感器。,31,内部装有超小型阻抗变换器 的压电式加速度传感器,原理：压电式加速度传感器的压电元件是两片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器(阻抗变换器)。这样，引线非常短，引线电容几乎等于零，就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号这就弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。,32,优点(2)： 最为突出的是这种传感器能直接输出一个高电平、低阻抗的信号输出电压可达几伏)，它可以用普通的同轴电缆输出信号，一般不需要再附加放大器，只有在测量低电平振动时，才需要再放大，并可很容易直接输至示波器、带

15、式记录器、检流计和其它普通的指示仪表。 另一个显著的优点是，由于采用石英晶片作压电元件，因此在很宽的温度范围内灵敏度十分稳定，而且经长期使用，性能也几乎不变。,33,电荷放大器,电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010一1012，输出阻抗小于100 使用电荷放大器突出的一个优点是，在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。 电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器,34,图中k是放大器的开环增益，(一k)表示放大器的输出与输入反相，若放大

16、器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端a点的电位接近“地”电位。由于放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即:U0ucf=-Q/Cf,式中： U0一一放大器输出电压； ucf一反馈电容两端的电压。,35,4.5 压电式加速度传感器,压电式加速度传感器是一种常用的加速度计，占所有加速度传感器的80%以上。因其固有频率高，有较好的频率响应，如果配以电荷放大器，低频响应也很好。 另外，压电式传感器体积小，重量轻，缺点是要经常校正灵敏度。 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

17、等。,36,1 . 组成 压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。 在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。 整个组件装在一个厚基座的金属壳体中。,37,2. 工作原理 将传感器基座与试件刚性固定在一起； 当传感器感受振动时，因质量块的质量相对被测物体的质量小得多，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用； 质量块有一正比于加速度的交变力作用在压电片上； 压电片的两个表面上产生交变电荷（电

18、压）； 当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。,38,灵敏度,电荷灵敏度：,电压灵敏度：,Ua=Q/Ca,Sq=SvCa,m d,S,39,提高传感器的灵敏度方法: 增大m：会影响试件的振动；对高频响应也不利 增加压电片的数目 采用合理的连接,40,压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量m、弹簧K和阻尼器C组成的二阶单自由度系统,式中：x运动体的绝对位移； xm质量块的绝对位移。,频率特性,输入量为加速度a，输出量为质量块与被测物间的相对位移xm-x，当作用于质量块上的力平衡时，其动力学方程为：,41,实际测量的振动频率上限一般只取传感

19、器固有频率的1513左右，也就是说工作在频率特性的平直段。 在这一范围内，传感器的灵敏度基本上不随频率而变化。 即使限制了它的测量频率范围，但由于传感器的固有频率相当高(一般可达30kHz甚至更高)，因此，它的测量频率的上限仍可高达几千赫兹，甚至十几千赫兹。,42,压电式加速度传感器的结构,压电元件的受力和变形常见的有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形四种。按以上四种变形方式也应当有相应的四种结构的传感器，但目前最常见的是基于厚度变形的压缩式和基于剪切变形的剪切式两种，前者使用更为普遍。,43,(a)为外圆配合压缩式。 它通过硬弹簧对压电元件施加预压力。 这种型式的传感器结构简单，而且

20、灵敏度高，但对环境的影响(如声学噪声、基座应变、瞬时温度冲击等)比较敏感,1-基座 2 -压电晶片 3 -质量块 4 -弹簧片 5 -电缆,压缩式：,44,(b)所示为中心配合压缩式。它具有外因配合压缩式的优点、并克服了对环境敏感的缺点。这是因为弹簧、质量块和压电元件用一根中心核牢固地固定在厚基座上，而不与外壳直接接触，外壳仅起保护作用。但这种结构仍然要受到安装表面应变的影响。,1-基座 2 -压电晶片 3 -质量块 4 -弹簧片 5 -电缆,45,(c)是倒装中心配合压缩式，由于中心柱离开基座所以避免了基座应变引起的误差。但由于壳体是质量一弹簧系统的一个组成部分，所以壳体的谐振会使传感器的谐

21、振频率有所降低，以致减小传感器的频响范围。另外，这种形式的传感器的加工和装配也比较困难,这是它的主要缺点。,1-基座 2 -压电晶片 3 -质量块 4 -弹簧片 5 -电缆,46,它的底座向上延伸，如同一根圆柱，管式压电元件(极化方向平行十轴线)套在这根圆柱上，压电元件上再套上惯性质量环。 剪切式加速度传感器的工作原理是：如传感器感受向上的振动，由于惯性力的作用使质量环保持滞后。这样，在压电元件中就出现剪切应力，使其产生剪切变形从而在压电元件的内外表面上就产生电荷，其电场方向垂直于极化方向。,1-基座 2 -压电晶片 3 -质量块 4 -弹簧片 5 -电缆,剪切式：,47,工作原理：利用纵向压

22、电效应 图示为一种单向压电式测力传感器的结构图，它可用于机床动态切削力的测量。压电晶片为石英晶片，上盖为传力元件，绝缘套用来电气绝缘和定位。,4.6 压电式测力传感器,48,压电效应历史,1880年，居里兄弟首先发现电气石的压电效应，从此开始了压电学的历史。 1881年，居里兄弟实验验证了逆压电效应，给出石英的正逆压电常数。 第一次世界大战，居里的继承人郎之万，最先利用石英的压电效应， 制成了水下超声探测器，用于探测潜水艇，从而揭开了压电应用史篇章。 压电材料及其应用取得划时代的进展应归咎于第二次世界大战中发现了BaTiO3陶瓷，日本积极开展利用BaTiO3压电陶瓷制作超声换能器、高频换能器、

23、压力传感器、滤波器、谐振器等各种压电器件的应用研究，这种研究一直进行到50年代中期 1955年，美国B.Jaffe等人发现了比BaTiO3压电性更优越的PZT压电陶瓷，促使压电器件的应用研究又大大地向前推进了一大步。应用声表面波（SAW）的滤波器、延迟线和振荡器等SAW器件，在七十年代后期也取得了实用化 上世纪70年代初期，人们在锆钛酸铅材料二元系配方Pb(ZrTi)O3基础上又研究了加入第三元改性的压电陶瓷三元系配方，可广泛用于拾音器、微音器、滤波器、变压器、超声延迟线及引燃引爆方面,49,压电效应应用,利用压电效应可以做出各种各样的压电材料，压电材料的应用领域可以粗略 分为两大类：即振动能

24、和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声 换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。,1、换能器 换能器是将机械振动转变为电信号或在电场驱动下产生机械振动的器件。,50,1、一般电声换能器的能量转换过程是 ： 对于电-声转换是先将电信号转换成机械振动，然后由机械振动产生声波； 对于声-电转换 ，则是先将声信号转换成机械振动后再转换成电信号。,可生产电声器件如麦克风、立体声耳机和高频扬声器,水声换能器，又称水听器，接收水声信号并将其转换成电信号。研究 初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。,51

25、,2、压电聚合物换能器在生物医学传感器领域，尤其是超声成像中，获得了最为 成功的应用,人体结构对超声而言是一个复杂的介质，各种器官与组织，包括病理组织有它特定的声阻抗和衰减特性，因而构成声阻抗上的差别和衰减上的差异。 超声射入体内，由表面到深部，将经过不同声阻抗和不同衰减特性的器官与组织，从而产生不同的反射与衰减。这种不同的反射与衰减是构成超声图像的基础。 将接收到的回声，根据回声强弱，用明暗不同的光点依次显示在影屏上，则可显出人体的断面超声图像,52,超声换能器，用于超声波范围的电声换能器，主要是压电陶瓷换能器,3、在机器人接近觉中的应用（超声波传感器）,当物体振动时会发出声音。科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，单位是赫兹。 我们人类耳朵能听 到的声波