传感器与检测技术重点.ppt

1、2020年7月21日星期二,第五章 压电式传感器,2020年7月21日星期二,2020年7月21日星期二,知识目标： （1）了解不同压电材料的结构和特点。 （2）掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电路。 （3）熟悉压电式传感器在工程上的应用。,教学目标,技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的压电式传感器。 （2）能够运用压电式传感器完成一些简单的项目。,2020年7月21日星期二,情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力 。,教学重难点,教学重点： 压电式传感器的工作原理和应用。,教学难点： 压电式传感器的测量

2、电路。,2020年7月21日星期二,压电式传感器是一种自发电传感器。以某些电介质的压电效应为基础，压电材料受力后表面产生电荷，从而实现非电量向电量的转换。 压电式传感器具有工作频带宽、灵敏度高、结构简单、体积小、质量轻、工作可靠等特点。,2020年7月21日星期二,压电效应具有可逆性，它分为正压电效应和逆压电效应。,正压电效应 是指某些电介质，当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时，它的内部就会产生极化的现象，同时在它的两个表面上会产生极性相反的电荷，当施加的压力去掉后，它又重新恢复不带电的状态；当压力的作用方向改变时，它内部的极性也随着改变。（顺压电效应）,逆压电效应 是指当在电介质的极化方

3、向施加电场，这些电介质就会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当施加的电场撤去时，这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。,2020年7月21日星期二,由于外力的作用，在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际上是不可能的，所以压电式传感器不能用于静态力的测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量转换电路一定的电流，因此，压电式传感器只适用于动态测量。,2020年7月21日星期二,在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为 Q=d11 Fx （5-1） 式中，d11为x轴方向受力的压电系

4、数（C/N）；Fx为x轴方向的作用力（N）。,2020年7月21日星期二,压电传感器中的压电元件材料一般有三类：,压 电 材 料,压电晶体,压电陶瓷,高分子压电材料,2020年7月21日星期二,1.石英晶体,天然形成的石英晶体外形,2020年7月21日星期二,天然形成的石英晶体外形（续）,2020年7月21日星期二,石英晶体的压电机理分析,（a）晶体外形 （b）晶块 图5-2 石英晶体,石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。 定义：,x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。,y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。,z ：无压电效应，中心轴，也称光轴

5、。,2020年7月21日星期二,（a）不受外力 (b) x轴方向受力 （ c）y轴方向受力图5-3 石英晶体的压电效应示意图,当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图5-3（a）；当石英晶体在x轴方向受力时，晶体的极面A上呈现负电荷，晶体的极面B上呈现正电荷，见图5-3(b)；当石英晶体在y轴方向受力时，晶体的极面A上呈现正电荷，晶体的极面B上呈现负电荷，见图5-3（c）。,2020年7月21日星期二,石英晶体在20200 内压电系数的变化率小，因而其性能非常稳定，不足之处在于压电系数较小（d=2.311012

6、 C/N）。因此，石英晶体一般只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中使用。,2020年7月21日星期二,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,2020年7月21日星期二,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。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）。 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，由无数细微的单晶组成。每个单晶粒形成一个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴

7、是无规则排列，极化方向杂乱无章，其总极化强度为0，此时受力则无压电效应。,2.压电陶瓷,2020年7月21日星期二,若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发的极化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。,（a）未极化的陶瓷 (b)正在极化的陶瓷 （c）极化后的陶瓷 图5-4 压电陶瓷的极化过程,2020年7月21日星期二,压电晶体与压电陶瓷的比较：,相同点： 都是具有压电效应的压电材料。,不同点： 石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。 极化

8、后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。,2020年7月21日星期二,1）锆钛酸铅系列压电陶瓷 锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT有较高的压电系数（d（200500）1012 C/N）和居里点（500 左右），是目前常采用的一种压电材料。,2）非铅系列压电陶瓷 非铅系列压电陶瓷可减少铅对环境的污染。它们的各项性能均已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。,2020年7月21日星期二,压电陶瓷外形,2020年7月21日星期二,3.高分子压电材料,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。其中以PVF

9、2的压电系数最高。,高分子压电材料具有以下特点： （1）高分子压电材料是柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或 电缆套管等形状，经过极化处理后就会出现压电效应。 （2）高分子压电材料不易破碎，且具有防水性，可以大量连续的 拉伸，制成较大面积或较长尺度的形状，因此，价格便宜。 （3）高分子压电材料的声阻抗约为0.02 Pas/m3，与空气的声阻 抗有较好的匹配，可以制成特大口径的壁挂式低音扬声器。 （4）高分子压电材料的工作温度一般低于100 ，当温度升高时， 其灵敏度降低。 （5）高分子压电材料的机械强度不高，抗紫外线能力较差，不适 合暴晒，容易老化。,2020年7月21日星期二,高分子压电材料

10、制作的压电薄膜和电缆,2020年7月21日星期二,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,2020年7月21日星期二,压电式脚踏报警器,2020年7月21日星期二,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,2020年7月21日星期二,由压电元件的工作原理可知, 压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时, 当压电元件表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为介质的电容器，则其电容量为,(5- 2),式中: A压电片的面积; d 压电片的厚度; r压电材料的相对介电常数。,压电元件的开路电压的表达式为,2020年7月21日星期二,压电式传感器可以等效为一个电荷源，如图5-6(a)所示。它也可等效为一

11、个电压源，如图5-6(b)所示。,（a）电荷放大器 (b)电压放大器图5-6 压电式传感器的等效电路,2020年7月21日星期二,（a）串联 (b)并联 图5-7 压电元件的连接方式,（a） “串联” Q=Q，U=2U，C= C/2 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，且测量电路输入阻抗很高的地方。 （b） “并联”，Q=2Q，U=U，C=2C 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。,2020年7月21日星期二,压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其

12、作用为: 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号, 也可以是电荷信号, 因此前置放大器也有两种形式: 电压放大器和电荷放大器。,2020年7月21日星期二,图5-8 电荷放大器的等效电路,2020年7月21日星期二,由于电荷放大器中的反馈电容Cf在输入端的等效电容满足Cf（A+1）（Ca+Cc+Ci），因而可以忽略电缆电容Cc和前置放大器的输入电容Ci的影响。因此，电荷放大器输出电压的表达式为,（5-6）,2020年7月21日星期二,由式（5-6）可以得出以下几点结论： （1）电荷放大器的输出电压只与输入电荷量Q和反馈电容Cf有 关

13、，而与放大器的放大系数A、电缆电容Cc和前置放大器 的输入电容Ci等的变化均无关。 （2）只要保持反馈电容Cf的数值不变，就可得到与输入电荷量 Q变化成线性关系的输出电压 。 （3）压电式传感器产生的电荷量Q一定时，反馈电容Cf越小， 输出电压 就越大。 （4）要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈 电容Cf 。 （5）输出电压 与电缆电容Cc无关条件是 Cf （A+1）（Ca+Cc+Ci）。,2020年7月21日星期二,电荷放大器外形,2020年7月21日星期二,（a） （b） 图5-9 电压放大器的等效电路及其简化电路,2020年7月21日星期二,压电式加速度传感器又称拾振器，它

14、有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。,2020年7月21日星期二,压电式振动加速度传感器的结构及外形,横向振动测振器,纵向振动测振器,2020年7月21日星期二,1.压缩式压电加速度传感器,图5-11 压缩式压电加速度传感器的结构,2020年7月21日星期二,2.纵向效应式压电加速度传感器,图5-12 纵向效应式压电加速度传感器的结构 1电极； 2质量块； 3螺母； 4压电陶瓷； 5基座,2020年7月21日星期二,3.剪切式压电加速度传感器,图5-13 剪切式压电加速度传感器的结构,2020年7月21日星期二,4.弯曲

15、式压电加速度传感器,图5-14 弯曲式压电加速度传感器的结构,2020年7月21日星期二,图5-15 压电式三向动态测力仪的结构,2020年7月21日星期二,图5-16 压电式血压传感器的结构,2020年7月21日星期二,图5-17 压电式流量计的结构,2020年7月21日星期二,1.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。,2020年7月21日星期二,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,将厚约0.2 mm左右的PVDF薄膜裁制成1020 mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。 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。,2020年7月21日星期二,2压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层