3.6 压电式传感器.ppt

1、1,主要内容,3.6.1 压电效应 3.6.2 压电材料 3.6.3 石英晶体的压电特性 3.6.4 压电陶瓷的压电特性 3.6.5 压电式传感器等效电路 3.3.6 压电式传感器的测量电路 3.6.7 压电式传感器的应用,压电式传感器： 工作原理是以某些物质的压电效应为基础的传感器。,2,压电式传感器简介,压电式传感器是一种有源型传感器，是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。根据其测量的参数不同，可分为： （a）压电式力传感器 （b）压电式加速度传

2、感器 （c）压电式位移传感器等,有源传感器能将一种能量形式直接转变成另一种，不需要外接的能源或激励源。,3,压电式传感器的特点与应用,压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。 近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。,4,3.6.1 压电效应,压电效应（Piezoelectric Effect） 一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。且其电位

3、移D(在MKS单位制中即电荷密度)与外应力张量T成正比： D = dT 式中 d压电常数矩阵。 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。,5,正压电效应（顺压电效应）： 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）： 当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,6,压电材料,定义：具

4、有压电效应的电介物质称为压电材料。 分类：压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。,7,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。 环境适应性强。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。要求压电性能不随时间变化。,8,（一）压电陶瓷,1、钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛

5、（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,2、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,9,4、压电半导体材料 如ZnO、CdS 、ZnO

6、 、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。,3、压电聚合物 聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(

7、PVF2PZT)。,10,（二） 石英晶体,石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。由图可见，在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。,11,石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英

8、传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。 石英晶片的切型符号表示方法： IRE标准规定的切型符号表示法； 习惯符号表示法。,12,IRE标准规定的切型符号包括一组字母（X、Y、Z、t、l、b）和角度。用X、Y、Z中任意两个字母的先后排列顺序，表示石英晶片厚度和长度的原始方向；用字母t（厚度）、l（长度）、b（宽度）表示旋转轴的位置。当角度为正时,表示逆时针旋转；当角度为负时,表示顺时针旋转。例如：(YXl)35切型，其中第一个字母Y表示石英晶片在原始位置(即旋转前的位置)时的厚度,沿Y轴方向，第二个字母X表示石英晶片在原始位置时的长度沿X轴方向，第三个字母l和角度35表示石英晶片绕长

9、度逆时针旋转35，如图。,13,又如（XYtl）5/-50切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿X轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度t逆时针旋转5，再绕长度l顺时针旋转50，如图。 习惯符号表示法是石英晶体特有的表示法，它由两个大写的英文字母组成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、MT和FC等。,14,(a)石英晶体 (b)沿y方向切下一块晶体片,15,石英晶体的压电效应,天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。,通

10、常把沿电轴XX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YY方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。,16,石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,(b),(a),+,+,-,-,-,Y,X,X,Y,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,+,17,原理,当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-

11、）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1P2P30,18,19,1.未受外力,正电硅离子和负电氧离子分布成3个电偶极矩 P1,P2和P3 P1+P2+P3 =0, 晶体表面不产生电荷,电荷平衡,即呈中性 2.受x轴方向压力:压缩变形,电偶极矩在x轴方向分量 (P1+P2+P3 )x 0, C,D面上不带电荷, A,B面分别呈现正，负电荷。,20,晶体片上电荷极性与受力方向的关系 (a)x轴受压力, (b)x轴受拉力 (cy轴受压力,(d)y轴受拉力,21,晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因

12、为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。 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。,当晶片受到沿X轴方向的压缩应力XX作用时，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，极化强度PXX与应力XX成正比，即,22,式中 FXX轴方向的电场强度； 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d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶片的长度和宽

13、度。 极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即,式中 qX垂直于X轴平面上的电荷。 将上两式整理，得,式中 电极面间电容。,其极间电压为,23,结论：,沿x轴施加力,在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象,即“纵向压电效应”。 y轴施加力,而仍在垂直于x轴的晶面上产生电荷的现象被称为“横向压电效应”。 沿光轴(z)方向施加力,石英晶体不产生压电效应。 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，则在此方向上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的。,24,3.6.4 压电陶瓷的压电现象,压电陶瓷是人造多晶体,压

14、电机理与石英晶体不相同。 压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴。 在极化前,各电畴任意方向排列,自发极化作用相互抵消,陶瓷内极化强度为零 极化：施加外电场,电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致,已极化,25,压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具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，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。,26,外电场撤销,各电畴一定程度上按原外加电场方向取向,陶瓷极化强度不立即恢复到零,存在

15、剩余极化强度。,27,同时陶瓷片极化两端出现束缚电荷,吸附电子，对外中性 由于束缚电荷的作用，在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的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。 所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度,28,原理,外力引起变形，电畴方向改变，自由电子改变，称为放电。 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，而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片

16、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。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。,29,原理,同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场， 由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。 陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，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。 这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。,逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情

17、况）,30,总结,由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。 这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。 如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。 此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在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的释放或补充的结果。,31,压电材料的参数,弹性系数,32,2 介电常数,33,把两个力学量-应力和应变e与两个电学量-电场强度E和电位移强度D联系在一起，描述它们之间相互作用的表达式就是

18、所谓的压电方程。 处在工作状态下的压电体，其力学边界条件可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电学边界条件则有电学短路和电学开路两种情况，根据不同的边界条件，选择不同的自变量与因变量，就可以得到不同类型的压电方程。,34,压电方程组同时受应力和电场作用,压电体同时受电场和应力作用时，利用叠加原理来处理。 第一类方程组， 应力、电场强度为自变量 应变、电位移为因变量,应变弹性柔顺系数应力应变常数电场强度 电通密度应变常数应力分量介电常数电场,35,压电式传感器的测量电路,（一）等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看

19、成一个静电发生器，如图(a)。也可把它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,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为,36,两种不同等效模型,因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)； 也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。,37,压电传感器仅适用于交流工作,传感器内部信号电荷无“漏损”，则电路就要以时间常数RLCe 按指数规律放电 外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存， 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

20、差。 事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。,38,实际使用等效电路（电压源）,如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,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。 传感器电容Ce,和漏电阻Re， Cc电缆电容， 放大器输入电阻Ri和输入电容Ci,39,电荷源,40,可见，压电传感器的绝缘电阻Re与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。 测试

21、系统则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，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。,41,1 电压放大器（也称为阻抗变换器）,压电传感器接电压放大器的等效电路图,42,压电传感器电压U = q/Ce , 已知石英晶体沿电轴施加交变力 F = Fmsint 产生电荷：q = d11F d11为x向受力压电系数 电压为：,43,电压幅值 Um = d11Fm/Ce 设R为Re和Ri并联等效电阻,C为Cc和Ci并联等效电容 ： 送到放大器输入端的电压为,44,送到放大器输入端的电压为,45,其中幅值 Uim 为： 相位：,若为测量回路的时间常数，令11/,即,46

22、,输入电压幅值Uim可以表示为 相角,47,当/1 1, 即作用力在高频段 输入电压幅度与作用力成正比 输入电压幅度与频率w无关,仅取决于等效电路参数。 压电传感器适合于交变压力测量。,48,当/1 1,即作用力在低频段 输入电压幅度与作用力频率有关。 当=0,电压Uim =0,说明低频使压电传感器电荷通过电路的输入阻抗放掉。因此,压电传感器不适合于静态力测量。,49,1.提高压电传感器低频测量范围的方法：,提高测量回路时间常数,即提高Re, Ri,Cc和Ci中任一项。其中Ce,Cc和Re不变,那么,主要是提高测量放大器输入阻抗Ri Ci 。,2.提高压电传感器的灵敏度,50,当R 1，忽略1

23、/R项 表明：提高放大器输入电容Ci将降低灵敏度 因此提高测量放大器输入电阻Ri是扩大低频频带宽度和灵敏度唯一途径。 电缆电容Cc也将影响压电传感器灵敏度,51,电压放大器的具体电路,52,2电荷放大器,电荷放大器是具有深度负反馈的高增益放大器 其特点是传感器灵敏度与电缆长度无关,可用于压电传感器远距离电荷放大 等效电路用电荷源形式，计算用电压源 电荷与电压关系为：,53,电荷放大器等效电路,54,便于分析,将电荷源改为电压源形式,55,其中，电压源电压为： 放大器闭环增益A,有 化简为：,56,当交变压力的频率高时,jCf 1/Rf, j(Ce+Ci+Cc) (1/Ri+1/Re) : 当开

24、环增益A足够大, Cf (1+A) (Ce+Ci+Cc) ,则为:,57,表明在高频率条件下,电荷放大器输出电压与q成正比,与压力成正比，与交变压力频率、电缆长度无关 传感器的灵敏度与反馈电容Cf有关,和电缆电容Cc无关，这是电荷放大器最大特点。,58,当压力的频率很低, 上式中：jCf与1/Rf 可相比,在 Cf(1+A) (Ce+Ci+Cc)时 其幅频特性为:,59,当 显然这是电荷放大器下限截止频率，即： 可低到310-6Hz,表明电荷放大器可对静态压力进行有效测量。,60,反馈电容 Cf 在100pF0.1F,改变Cf可改变放大器增益。反馈电阻Rf 提供直流反馈通路 电荷放大器上限截止

25、频率取决于电缆杂散电容Cc和导线电阻Rc 上限截止频率可高到100kHz。,61,实用的电荷放大器电路,Uo = - q / Cf 反馈电阻Rf 仅为提供直流反馈,以减少电缆的噪声和放大器的零漂,提高放大器的稳定性。,62,小结,电压放大器输出电压 Uo = Af Uim 电荷放大器输出电压 Uo = - q / Cf,Uo = - q / Cf 反馈电阻Rf 仅为提供直流反馈,以减少电缆的噪声和放大器的零漂,提高放大器的稳定性。,63,电压放大器与电荷放大器的对比,64,压电式传感器的应用,（一）压电式压力传感器 （二）压电式加速度传感器 （三）压电式玻璃破碎报警器 （四）压电式传感器在自来

26、水管道测漏中的应用,65,（一）压电式压力传感器,根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。 压电式测压传感器的原理简图。它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5受到压力F作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,F作用于压电片上的力； d11压电系数； P压强， ； S膜片的有效面积。,66,（二） 压电式加速度传感器,当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，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，此力Fma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为,其结构一般有

27、纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。,qd33Fd33ma,67,此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。,68,（三）压电式玻璃破碎报警器,将高分子压电测振薄膜

28、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。,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。,69,带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。 比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时, 输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。,70,（四）压电式传感器在自来水管道测漏中 的应用,如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上A、B两点放两只传感器，A、B距离为L（已知或可测

29、），从A、B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和tB（=LB/V），两者时间差为 t=tA- tB=（LA- LB）/V （1） 又 L =LA+LB （2）,1、检测原理,71,因为管道埋设在地下，看不到O点，也不知道LA和LB的长度，已知的是L和V，如果能设法求出t，则联立（1）+（2）得： LA =(L+tV)/2 （3） 或者将（1）-（2）得： LB=（L-tV）/2 （4） 关键是确定t，就可准确确定漏点O。如果从O点出发的是一极短暂的脉冲，在A、B两点用双线扫描同时开始记录，在示波器上两脉冲到达的时间差就是t。实际的困难在于漏水声是连续不断发出的，在A、B两传感器测得的是一片连续不断，幅度杂乱变化的噪声。相关检漏仪的功能就是要将这两路表面杂乱无章的信号找出规律来，把它们“对齐”，对齐移动所需要的时间就是t。,72,2、水漏探测仪设计,73,1. 压电式压力传感器 力F作用膜片,压电元件表面产生电荷,74,2.加速度型心音传感器,心音是一种生物机械振动现象,心音测量主要有心音频率。 医生用听诊法主要听取心脏瓣膜关闭时所发出的声音, 血液冲击瓣膜并不产生声音,只在瓣膜突然关闭时,血液骤然加速或减速流动,才导致振动而产生心音。心杂音则由于血液的湍流而产生的异常血流声。 心音的发生原理：心脏搏动时,瓣膜的关闭和心肌收缩引起血流的