05-压电.ppt

1、第五章 压电式传感器,5.1 压电效应（*） 5.2 压电材料 5.3 压电式传感器的应用 5.4 压电式传感器的等效电路 5.5 测量电路（ *电荷与电压放大，观察效应） 5.6 压电式传感器的动态性能（*） 5.7 压电式传感器的误差 5.8 超声波传感器,电感式和电容式力（加速度）传感器的共性问题： 结构中必然存在运动部分，必须保证结构的稳定性。 启发： 电阻受力电阻率变化 目标： 结构不变 输出电量变化 方向： 结构型传感器物性型传感器 问题： 结构的研究材料的研究,5.1 压电效应 压电效应-机械能转变为电能 某些电介质, 当沿着一定方向对 其施力而使它变形时, 其内部就产生 极化现

2、象, 同时在它的两个表面上便 产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。 正压电效应 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 压电传感器大都是基于压电材料的正压电效应。,5.1 压电效应 逆压电效应-电能转变为机械能 当在电介质的极化方向施加电场，某些电介质在一定方向上将产生机械变形或机械应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之消失，这种物理现象称为逆压电效应。 电致伸缩效应- -电能转变为机械能 电介质在电场的作用下会由于极化的变化而引起形变，若形变与电场方向无关，这个现象就称为电致伸缩效应

3、。,5.1 压电效应,机械能转变为电能,电能转变为机械能,正压电效应,逆压电效应,电致伸缩效应,纵向压电效应,切向压电效应,横向压电效应,压 电 效 应,5.2压电材料 自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。 性能优良的压电材料 (转换性能、机械性能、电性能、环境适应性、时间稳定性) 实际应用的压电材料 压电晶体（单晶体）：石英；铌酸锂等。 压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）等。 压电半导体和高分子压电材料（含压电薄膜）等 。,5.2压电材料-5.2.1石英晶体,天然形成的石英晶体外形,石英晶体切片及双面镀银封装,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时，压电

4、效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,5.2.1石英晶体 以压电晶体为例，压电效应是由于单晶受外应力时其内部晶格结构变形，使原来宏观表现的电中性状态（正负电荷中心重合）被破坏而产生电极化。, 介电常数和压电系数的温度稳定性好 在20至200 温度范围内，温度每升高1 ，压电系数仅减少0.016%，当温度达到573 时（居里点），石英晶体丧失压电特性。 各向异性的晶体，按不同方向切割的晶片，其物理性质相差很大。,5.2.2 压电陶瓷 极化前，各个电畴在晶体上杂乱分布，极化效应被相互抵消，原始的压电陶瓷内极化强度为零； 在外电场作用下，电畴的极化方向趋向于按外电场的方向；

5、极化处理后，陶瓷内部仍存在有很强的剩余极化强度。 受到压力后，自由电荷过剩出现放电现象。受到拉力，出现充电现象。,压电陶瓷外形,无铅压电陶瓷及其换能器外形,压电陶瓷的性能: 很高的压电系数； 居里点温度低； 有热释电现象； 稳定性不如石英晶体； 人工制造，成本低。,5.2.3 压电半导体和高分子压电材料（压电薄膜） 压电薄膜：极化的聚偏氟乙烯类薄膜上镀以铝质电极而制成的。 压电材料：聚偏氟乙烯()和偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(-TRFE)两类。 滑动传感器视频。,5.3 压电式传感器的应用 有源传感器： 在外界作用下产生电荷非电量到电量的转换和测量。 力敏感元件： 动态（力或加速度）测量不能用于静

6、态测量 无运动部件： 结构坚固可靠性、稳定性高。 优点： 频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、重量轻,5.3 压电式传感器的应用, 玻璃打碎报警装置 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。 问题： 灵敏度调节问题。,粘贴位置,改进-基于破碎声音测量的玻璃破碎传感器 原理： 破碎时发出的响亮刺耳的声音频率：处于大约1015KHz的高频段。 带通放大器的带宽选在 1015KHz的范围内，取出 玻璃破碎所产生高频声音。 优点：对人的脚步声、 说话声、雷雨声等却具有 较强的抑制作用，以降低误报率。 另一类是双技术玻璃破碎探 测器，其中包括

7、声控-震动型 和次声波-玻璃破碎高频声响型。,压电踏脚板 根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。 不易破碎，具有防水性，可以制成较大面积或较长的尺度。,压电式脚踏报警器,5.4压电传感器的等效电路 电压源 U，与其等效电容Ce串联； 电荷源 q ，与其等效电容Ce并联。,压电元件在承受沿其敏感轴向的外力作用时，产生电荷，相当于一个电荷源； 压电元件电极表面聚集电荷时， 相当于一个以压电材料为电介质的电容器。,5.5 测量电路 压电方程耍同时考虑力与电之间相互作用和相互影响，即 力正压电效应产生电荷 电荷逆压电效应力 测量线路不同（电边界为短路状态或电边界为开路状态），则力与电之间相互作用和相互影响

8、不同。,5.5.1电边界为短路状态（电荷放大） 应力T1与形变S1关系为： S1=C11T1 式中：C11为压电陶瓷固有的柔度系数； 与T1作用下产生的变形对应有束缚电荷3=d31T1； 所以有：,特点：信号变换是单向的。,C11,T1,S1,3,5.5.2电边界为开路状态,应力形变电荷,结论： 电短路条件下灵敏度高于电开路。,C11,T1,S1,3,S1,g13,S1,5.6压电式传感器的动态性能 幅频特性； 将传感器与测量线路的频率响应结合在一起； 分析范畴 力学系统压电元件+测量线路 力学系统：由力产生变形； 压电元件：由变形而产生电荷输出； 测量线路：将电荷变换为电压输出。,5.6.1

9、压电式加速度传感器 压电式加速度传感器它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳内, 并用螺栓加以固定。 ,5.6.1压电式加速度传感器,建立了相对运动和绝对运动的联系。,5.6.2力学系统的频率响应 压电传感系统力传递部分的模型,以加速度计为例： 在 0.50（阻尼系数小于0.65）时，频响特性曲线是平坦的； 扩大加速度测量的频率范围增大固有频率，即减小附加质量； 灵敏度与带宽两个要求是矛盾的；,5.6.3测量线路的频率响应电压放大器,电阻R = RaRi/(Ra+Ri), 电容C = Cc+Ci, u = q/Ca 若压电元件受正弦力f =Fmsint，qd3

10、3Fmsint的作用,5.6.3测量线路的频率响应 电荷放大器 幅频特性为：,5.6.4系统响应-REF 系统的频率响应由三部分决定。 测量线路的频率响应决定系统的的低频性能； 系统的高频部分受到力学系统的固有频率限制； 压电元件的性能则对系统的灵敏度起重要作用。 以压电陶瓷为例，说明系统的综合频率响应。 压电陶瓷的传递系数,力学系统,压电元件,测量线路,t,S,Q,UL,5.6.4系统响应输出电压和加速度的关系 系统的幅频特性 以02=k/m代入上式得：,5.7压电式传感器的误差 压电传感器的误差由温度影响、 老化误差、 横向干扰和电缆噪声构成。 5.7.1温度影响 外界温度变化将影响压电传

11、感器的灵敏度。 压电系数发生变化； 压电传感器等效电容量发生变化； 某些压电材料本身同时具有热释电效应； 温度的变化会导致传感器中晶体元件受力状态的变化。,5.7.2横向误差,5.7.3电缆及器件噪声,5.8超声波传感器 超声波的反射和折射特性 超声波的衰减特性 声波在介质中传播时, 随着 传播距离的增加, 能量逐渐衰减, 其衰减的程度与声波的扩散、散射 及吸收等因素有关。 其声压和声强 的衰减规律为: 式中:Px 距声源x处的声压; x 声波与声源间的距离; 衰减系数。,接触式直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,5.8.2 超声波传感器,逆压电效应:将数百伏的电脉冲加到压电晶片上，使晶片

12、发射出持续时间很短的超声振动波。 压电效应:当超声波经被测物反射回到压电晶片时，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。 探头的特征频率决定于压电晶体的厚度。,超声波传感器应用举例（1）,质量检查,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,超声波传感器应用举例（2）,超声波传感器应用举例（3）,物件放置错误检测,超声波传感器应用举例（4）,透明塑料张力控制,机械手定位,超声波传感器应用举例（5）,纸卷直径检测,超声波传感器应用举例（6）,平整度测量,超声波传感器应用举例（7）,超长距离检测,超声波传感器应用举例（8）,流水线计数,超声波传感器应用举例（9）,同侧式超声波流量计的使用,（参考北京菲波

13、仪表有限公司资料）,无损测量 超声波探伤,起始波 缺陷反射波 底波,工件,缺陷,5.8.3超声波传感器的应用 物位测量（反射和折射特性）,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,压电传感器的应用：-超声波传感器测液位 常用液位测量方法 浮子式液位测量方法（机械） 压力液位测量方法（气泡） 电容式液位测量方法（管壁、标准化） 超声波液位测量方法 超声液位测量问题的技术关键 盲区 温度影响 测量距离的影响,盲区 A 压电晶片的发射脉冲拖尾现象； B 发射脉冲小于发射信号幅值之前，检测电路不能区分发射信号和回波信号 。 C 减少盲区的方法 盲区时间：t=nT（n是振荡个数，T是压电晶体振荡周期）,温度影响 超声波传播速度符合： c 超声波在