ch5+压电式传感器及其应用.ppt

1、压电陶瓷致动器、压电陶瓷超声传感器、压电陶瓷超声雾化片、压电陶瓷蜂鸣器片、压电陶瓷大功率超声换能器、一次性塑料打火机、转换原理：基于某些介电材料的压电效应特性：体积小、重量轻、工作频带宽等应用：各种动态力、机械冲击和振动测量，以及声学、医学、力学、航空航天等方面得到广泛应用。压电式传感器和超声波传感器是力敏元件，可以测量那些最终可以转化为力的物理量，如压力、应力、加速度等。5.1压电传感器，1。晶体和压电材料的压电效应，1。压电效应，一些电介质，当在某个方向上受到外力变形时，会在内部产生极化，并在其表面产生电荷，当外力消除时，它们又会回到不带电荷的状态。压电效应是可逆的。该双向有源传感器体积小

2、、重量轻、结构简单、工作可靠、频响宽。压电效应的特点如下：逆压电效应：当电场作用于电介质的极化方向时，电介质会相应地变形，这也称为电致伸缩效应、电能和机械能。2.压电方程和压电常数，应时晶体组成和形状：化学式为二氧化硅，单晶结构形貌：六面体各向异性：光轴(参考轴，Z轴):在这个方向上没有压电效应，光沿这个方向通过时没有双折射现象；电轴(X轴):压电效应在垂直于该轴的表面上最强。机械轴(y轴):在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。沿着y方向从晶体上切下一个晶片，并对A和B晶体的长度和厚度进行切片。当力沿着x、y和z方向施加，并围绕x、y和z轴向的切向作用时，会发生什么？厚度压缩型、长度压缩型

3、、厚度剪切型、平面剪切型，Z方向的力不产生压电效应，正负离子分布在正六边形的顶角上，形成夹角为120的三个电偶极矩P1、P2和P3。在垂直于电轴x的平面上，将产生电荷，这是qx=d11 fx公式中： d11x方向的压电系数(晶体承受单位力时产生的电荷量)；外汇力量。受到x方向力的纵向压电效应，沿机械轴的y方向施加作用力fy，并在垂直于x轴的平面上产生电荷qy，其大小为公式中： d12y轴的压电系数，d12=-d11；I(i=1，2，3):表示晶体的极化方向，即电荷在I平面上产生。1、2和3表示分别垂直于x、y和z轴的晶片表面j (j=1、2、3、4、5和6 ), 2、3表示沿x、y和z方向作用

4、的单向应力；4、5和6表示在YZ、ZX和XY平面上的剪应力和压电方程。数字下标表示压电晶面或应力方向，即1、2和3分别表示X、Y和Z轴，而4、5和6表示围绕X、Y和Z轴的切向作用。同时，在压电转换元件的x、y和z轴方向上，在拉伸(压缩)力的作用下，向YZ、XY、XZ平面施加切向应力，则每个平面的电荷密度可以用以下数学公式表示：其中，每对平面1、2、3Ax、Ay和Az的电荷密度；作用在平面1、2、3Ax、Ay和Az上的轴向应力；23、31、12切向应力；Dij压电系数，矩阵形式的压电方程，其中：压电系数矩阵，3，压电陶瓷的压电效应，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，其内部晶粒具有许多具有一定极化

5、方向的自发极化电畴，因此存在电场。在没有外加电场的情况下，电畴在晶体中随机分布，它们的极化效应原始压电陶瓷材料的“电畴”是无序的，没有压电性。极化处理后，压电陶瓷材料中有很强的剩余极化。当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的边界发生移动，电畴发生偏转，导致剩余极化强度发生变化，从而极化电荷将在垂直于极化方向的平面内发生变化。这种现象是由力引起的，力由机械效应变为电效应，机械能变为电能，是压电陶瓷的正压电效应。电荷的数量与外力成正比。式中： d33压电陶瓷的压电系数为： q=d33F；力。压电陶瓷的压电系数远大于应时晶体，因此用压电陶瓷制成的压电传感器具有较高的灵敏度。压电陶瓷材料：早期：钛酸钡。碳酸

6、钡和二氧化钛的混合烧结。压电系数约为应时的50倍，最高工作温度仅为70。温度稳定性和机械强度不如应时。目前，它由锆钛酸铅(PZT系列)、钛酸钡(BaTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成。具有较高的压电系数和较高的工作温度。压电材料的主要特征参数为：压电常数为：它测量材料的压电效应强度，表征压电输出的灵敏度。弹性常数：决定压电器件的固有频率和动态特性。介电常数：压电器件的固有电容与介电常数有关；固有电容影响压电传感器下限频率的机电耦合系数：压电材料机电能量的转换效率定义为输出能量与输入能量之比的平方根。居里点：压电材料开始失去压电性能的温度，称为居里点电阻：压电材料的绝缘电阻；4.压电材料、普

7、通压电材料、应时晶体：最早应用的压电材料是振荡器、谐振器、窄带滤波器和其他元件最重要和最常用的材料，没有人工极化。没有热电效应，压电常数的温度稳定性好。居里点温度达到5730时，压电材料开始失去压电特性。此外，氧化锌和氮化铝等压电薄膜已成为微波器件的关键材料。新型压电材料：压电晶体和压电陶瓷都是脆性材料，而以聚偏氟乙烯(PVDF)为代表的压电聚合物薄膜具有很强的压电性、良好的柔韧性、比应时晶体更好的柔韧性和加工性能、良好的声阻抗和接近水和人体肌肉的热稳定性，压电复合材料：由压电陶瓷和聚合物组成。压电传感器等效电路和测量电路。当压电板受力时，压电传感器的等效电路在一块板上收集正电荷，在另一块板上

8、收集负电荷，两个电荷相等，如图5.3所示。两个极板收集电荷，绝缘体在中间，使其成为电容器。电荷发生器：当传感器受到外力作用并在电极上产生电荷时，压电传感器可以等效为一个电荷发生器，其电荷源和电容并联。图5.4压电加速度传感器的等效电路(一)等效电荷源；等效电压源：压电传感器也可以等效为串联电容的电压源和电压源。2.压电传感器测量电路。压电传感器的特点：高阻抗和小输出能量。解决方案：连接一个高输入阻抗的前置放大器，将高输出阻抗转换为低输出阻抗；放大传感器输出的微弱信号。压电传感器输出信号：电压信号电荷信号，电压放大器电荷放大器，(1)电压放大器(阻抗转换器)图5.5(a)和(b)是电压放大器及其

9、等效电路的电路图。压电元件的泄漏电阻Ce与电缆电容ri和ci放大器输入阻抗、电容、Ui、相连，可以得到放大器输入端电压Ui，其复形式为：Ui，幅度为：相位差为：前置放大器输入电压Uim与频率无关(一般认为Uim与/03无关)=0(静态量)，Uim/Uam=0(输入电压为零)。由于电荷泄漏，静电量/0.3(高频情况)无法测量。Uim/Uam1，实际接近理想的输入电压与施加的力频率无关。0必须是常数。它越高，高频响应越好。对于低频测量，0必须是常数。偏差越大，要求越小。扩展低频响应范围的输出电压灵敏度受电缆分布电容的影响，其特点是电路简单、元器件少、体积小、电路可靠、价格低、电缆长度有限(1.2m

10、)，不可替代。(2)电荷放大器通常用作压电传感器的输入电路，由反馈电容Cf和高增益运算放大器组成。当省略Ra和Ri的并联电阻时，电荷放大器可以使用图中所示的等效电路。Ui，Ui，结论：电荷放大器的输出与电缆电容无关(电缆长1公里，电缆可以更换)。第三，压电传感器的应用。根据压电传感器检测到的非电量类型，压电传感器的典型结构包括压电力传感器、压电压力传感器、压电加速度传感器和压电声发射传感器。1压电加速度计，外壳，预紧弹簧，质量，压电片，底座，压电加速度计也称为压电加速度计或压电加速度计。压电加速度传感器广泛用于检测导弹、飞机和车辆的撞击和振动。当振动频率远低于传感器的自然共振频率时，传感器的输

11、出电荷(电压)与作用力成正比。电信号由前置放大器放大，电荷(电压)可由通用测量仪器测量，从而得知物体的加速度。质量m，压电质量m，具有当q=d33ma=g(重力加速度)时获得的电荷q值，这通常被称为灵敏度，并且单位是C/g，即，当灵敏度为1g(电荷表示灵敏度)时产生的电荷。灵敏度也可以用开路输出电压来表示，并且可以获得灵敏度的电压表示(V/g)。普通压电加速度传感器的结构基于厚度变形具有高灵敏度和良好的频率响应，并且对环境影响(基底变形、应变、温度变化和声学噪声)敏感。压缩型和剪切型压电传感器易于小型化，固有频率高，频率响应范围宽，适合测量高频振动。然而，由于压电元件、金属圆筒和惯性质量环之间

12、的结合困难，组装成功率低。剪切型、环剪型、灵敏度高、横向灵敏度小、频率响应小、体积小、重量轻、固有共振频率低、灵敏度高，适用于低频测量。与前两者相比，缺点是体积大和机械强度差。通过采用不同的结构设计和选择不同性能的压电材料，可以得到满足各种应用要求的压电加速度传感器。表显示了具有三种基本结构的加速度传感器的一般性能。压电加速度传感器的形状。当压电传感器与测量电路一起使用时，框图如图所示。因此，在等效电路中，必须包括前置放大器的输入电阻Ri和输入电容ci以及低噪声电缆的电容Cc。2压电谐振传感器，利用压电晶体谐振器的谐振频率随被测物理量而变化。压电晶体振荡电路可用于测量物理量，如应力、应变、压力

13、、角速度、加速度、温度、湿度、流速和浓度，并以数字方式输出。3.压电压力传感器，核心，外壳，芯片组，电极，预紧气缸，隔膜，4。压电式玻璃破损报警器BSD2压电式传感器是一种专门用于检测玻璃破损的传感器，它利用压电元件对振动的敏感特性，感应玻璃受到冲击和破损时产生的振动波。传感器将振动波转换成电压，输出电压经放大、滤波、比较后提供给报警系统。传感器的最小输出电压为100毫伏，最大输出电压为100伏，内部阻抗为1520千欧。报警器的电路框图如上图所示。使用时，传感器粘在玻璃上，然后通过电缆与报警电路相连。为了提高报警的灵敏度，信号放大后需要通过带通滤波器进行滤波，这就要求信号在选定的频谱通带上有小

14、的衰减，在带外有大的衰减。因为玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，所以滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定阈值时，将输出报警信号，驱动报警执行器工作。5.2超声波传感器，声波：频率在202104赫兹之间的机械波，人耳可以听到；次声波：低于20Hz的机械波；超声波：高于2104赫兹的机械波称为超声波；当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于两种介质中的传播速度不同，在非均匀界面上会发生反射和折射。超声波传感器(超声波探头)是一种能够发射超声波和接收超声波回波并将其转换成电信号的设备(超声波换能器)。1.超声波传感器的原理和类型。压电陶瓷超声波传感器结构：它是由两个压电元件堆叠在一

15、起。两个压电元件称为双压电晶片，一个压电元件称为单压电晶片。如果超声波入射到压电晶片上，压电元件将产生电压。相反，向压电元件施加电压也会产生超声波。超声波传感器结构、超声波传感器等效电路、等效LCR串并联谐振电路、电容、电感、串联谐振频率、并联谐振频率、超声波传感器类型、一般超声波传感：带宽一般为几千赫兹磁；宽带超声波传感器：宽带超声波传感器在工作带宽内有两个谐振频率，其频率特性相当于两种传感器的组合，在很宽的频带内具有很高的灵敏度；密封式超声波传感器：该密封式超声波传感器对环境适应性强，可应用于汽车后物体检测装置；高频超声波传感器：中心频率高于100千赫。5.超声波传感器的驱动和接收电路检测

16、到的反射波从发射到接收必须经过一定的距离，能量衰减大，超声波传感器接收到的信号非常微弱，因此一个波需要连接高增益放大器和高速运算放大器，对精度和失真有一定的要求。如果一个运算放大器的增益不够，可以再增加一个运算放大器，每个运算放大器的增益小于100倍。运算放大器、接收电路采用LM733视频放大器。LM733的增益可以设置为l0、100和400倍，但增益越高，输入阻抗越低，通常设置为100倍。LM733的输入和输出是差分的。为了将差分输出电压变为单端输出电压，采用了增益为20倍的变压器Tl。在电路中，VD1和VD2以及稳压管VD3和VD4用于保护。电路中的T1也可以由运算放大器代替。1.超声波测距，超声波测距的原理：测量距离为：c -声速t -往返飞行时间，应用：适用于大目标、短距离和一般精密测距的手持式测距仪-盲人用汽车倒车雷达-汽车安全工业应用-超声波测量液位和料位，特点：超声波束发散，测量范围超声波传感器变送器的应用：它由门电路、缓冲电路和脉冲变压器升压电路组成。由20Hz调制的40Hz的高频信号被施加到脉冲变压器，并且t接收器：由二极管箝