传感器课件第6章压电式.ppt

1、第6章 压电式传感器,主要内容 6.1 压电效应 6.2 压电材料 6.3压电元件结构 6.4等效电路与测量电路 6.5压电传感器的应用,第6章 压电式传感器,概述,压电陶瓷位移器,压电陶瓷超声换能器,压电加速度计,压电警号,第6章 压电式传感器,概述,压电式传感器以电介质的压电效应为基础， 外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实 现非电量测量,是一种典型的发电型传感器. 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击 和振动进行测量，在声学、医学、力学、导 航方面都得到广泛的应用。,第6章 压电式传感器,6.1 压电效应,某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会

2、产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变; 这种现象称压电效应。 压电现象是晶体缺乏中心对称引起的,自然界32种晶体点阵中，有中心对称和非对称两大类，非中心对称的21种中有 20种有压电效应。,第6章 压电式传感器,6.1 压电效应,压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。 压电元件可以将机械能 电能 也可以将电能 机械能,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.1 石英晶体,自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的

3、压电材料。压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。,石英晶体外形结构,石英晶体特征 天然、人工两种都属于单晶体 化学式为SiO2 外形无论再小都呈六面体 沿各个方向的特征不同 沿X（电轴）作用产生电荷称纵向压电效应 沿Y（机械轴）.横向压电效应 沿Z（光轴）不产生压电效应,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.1 石英晶体单晶体（水晶）,压 电 晶 片,按特定方向切片,人工合成水晶,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.1 石英晶体,压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系: d为压电系数为常数 在X轴方向施力时,压电系数 d11 产生电荷大小为: 1为X方向应力 在Y轴方向

4、施力时,根据晶体的对称性压电系数 d12 = -d11 产生电荷大小为: 2为Y方向应力 a 、b是晶体切片几何尺寸(长 、厚),压电特性的各向异性可用矩阵表示,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.1 石英晶体,石英晶体的上述特征与内部分子结构有关： 当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩 晶体呈中性； 当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现正电荷； 当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现负电荷； 晶体受沿Z轴方向的应力时X、Y方向形变相同不产生压电效应； 应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。,第

5、6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.1 石英晶体,石英晶体压电模型,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.1 石英晶体,石英晶体的 主要性能参数： 压电常数； 弹性常数（动态特性）； 介电常数； 机械耦合系数； 电阻（密度）； 居里点温度。,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.2 压电陶瓷（多晶体）,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。 无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.2 压电陶瓷（人工多晶体）,施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋

6、向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.2 压电陶瓷（多晶体）,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.2 压电陶瓷（多晶体）,晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，电荷密度：,d33压电陶瓷的纵向压电常数， d33 比 d11、 d12大的多 所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电

7、特性减弱。随时间延长（2年后）d33会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料6.2.3 聚偏氟乙烯压电材料,聚偏氟乙烯压电效应,石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而PVF2、PVDF材料能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。,这些材料分子链中CF键具有极性，有一定的偶极矩，通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应。必须经过特殊处理才会具有良好的压电效应。 经过拉伸、极化过程。,第6章 压电式传感器,6.3 压电元件结构形式,在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷， 常常把两

8、片、四片压电元件组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：,U,按 + - - + 连接时电路串联 电压增加一倍适用于电压放大器,按 + - + - 连接时电路并联 电荷增加一倍适用于电荷放大器,+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + +,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.1 压电传感器等效电路,压电元件电荷Q的开路电压U可等效为 电压源U与电容Ca串联； 电荷源Q和电容Ca并联。 一个电容为Ca的电容器极板上聚

9、集有Q电荷时， 两极板间的电压为：,等效电容为：,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.1 压电传感器等效电路,等效电压源,等效电荷源,传感器接测量电路时还要考虑 电缆等效电容Cc、 输入电容Ci、 放大器输入电阻Ri、 传感器漏电阻Ra。,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.1 压电传感器等效电路,根据等效电路压电传感器灵敏度有两种,等效电压源,等效电荷源,根据它们之间的关系有：,电压灵敏度,电荷灵敏度,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.1 压电传感器等效电路,由等效电路可见，只有在负载RL时（无漏电），受力产生的电荷Q才能长

10、期保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时必须保证RL很大,使RLCa= 足够大。 压电元件内阻很高需要前置电路有高的输入阻抗。 前置电路有两个作用 一是放大微弱的信号 、二是阻抗变换 根据等效电路压电元件输出可以 是电压源也可以是电荷源。 因此， 前置放大器也有两种形式： 电压放大器 、电荷放大器,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路 （1）电压放大器（阻抗变换器）,如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化， 产生的电荷与电压也按正弦变化:,理想情况输入电压幅值,输入的实际幅值

11、 （有效值）,d 压电系数 信号频率 R = Ra/Ri,相位差,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路 （1）电压放大器,传感器电压灵敏度,前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：,令前置放大器输入回路的时间常数为：,相对幅频特性和相频特性分别为：,理想,实际,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路,讨论： （1）电压放大器 压电传感器不能测量静态物理量； 当3时输入与信号频率无关，高频响应特性好，优点； 提高低频响应的办法是增大，但不能靠输入电容Ca,因为电 压灵敏度与电容成反比。实际是增大前置输入回路电阻Ri.。 从传

12、感器电压灵敏度Ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传 感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对 电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路 （2）电荷放大器,为解决电缆分布电容Cc对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺点可采用电荷放大，而且集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。,其输出电压为：,压电传感器的输入电路由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。因运放输入端阻抗高，几乎无分流，可忽略Ra、Ri并联电阻,第

13、6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路6.4.2 测量电路 （2）电荷放大器,工作频率足够高时（RfXc），忽略（1+A）/RfCf 可求得电荷放大器输出电压,可认为电荷放大器 一般都满足理想条件,当A 1满足，通常A=104108,通常:Ca=几十pf,Cc=100pf/m, Cf=102-108pf,A105, （1+A）Cf Ca+Ci+Cc,第6章 压电式传感器,6.4 等效电路与测量电路 6.4.2 测量电路（2）电荷放大器,讨论： 电荷放大器的输出电压U0只取决于输入电荷Q和反馈电容Cf，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与电容Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。考

14、虑不同量程因素Cf的容量做成可以选择的电容，一般为100104pF。 缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。,第6章 压电式传感器,65 压电传感器的应用,1压电晶体振荡器； 2. 压电式测力传感器 3压电加速度计传感器； 4压电式玻璃破碎报警器； 5血压测量； 6压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、 收听器、超声波换能器； 7新型压电材料（聚偏二氟乙烯）,压电式测力传感器 传感器上盖为传力元件, 当外力作用时, 它将产生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。两片石英晶体采用并联方式，一根引线接在两压电片中间的金属片上，另一端直接与上盖相

15、接。利用其纵向压电效应, 实现力电转换。电信号通过接头输出。可测动态力。 注意：上盖与石英晶体间应 有一定的预压力。,第6章 压电式传感器,65 压电传感器的应用,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。,测量时，将底座与被测量加速度的构件刚性地连接在一起，使质量块感受与构件完全相同的运动。当构件产生加速度时，质量块将产生惯性力F1，其方向与加速度方向相反，大小为F1ma。此惯性力与预紧力F0叠加后作用在压电元件上，使得作用在压电元件上的压力F为：,压电元件上产生与加速度a对应的电荷，即,工作原理：,右图给出了Qf(F

16、)的函数关系,为静态工作点的电荷量,与ma对应的是电荷的增量,工作时，将压电元件产生的电荷输出给电荷放大器，则电荷放大器的输出电压的增量,由上式可知，电荷放大器的输出电压的增量 与加速度a成正比。因此，只要将 测出，即可测出构件的加速度。 如果在电路中增加一级或两级积分电路，则还可测出构件的速度或位移量。,第6章 压电式传感器,65 压电传感器的应用,压电式玻璃破碎报警器,检测原理: 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 检测时传感器用胶粘贴在玻璃上, 然后通过电缆和报警电路相连。

17、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。,第6章 压电式传感器,65 压电传感器的应用,压电元件产品,第6章 压电式传感器,65 压电传感器的应用,第6章 压电式传感器,65 压电传感器的应用,石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。而PVF2、PVDF材料能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。 PVF2高分子偏二氟乙烯 是一种良好的热塑性工程塑料， 密度小、柔性好，有较高的压 电效应，比石英高十倍，压电陶 瓷低十倍。材料轻柔可按需要 切割成薄片，可植入人体