检测与转换技术课件：第5章电压型传感器2（压电式）

1、5、2 压电式传感器,压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。 应用于力学、声学、医学等领域。,基本原理分析,1 压电效应,某些电介质，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。称为正压电效应。传感器常用。 当在电介质的极化方向施加电场时，电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形也随之消失，这种现象称为逆压电效应，用于电声器件。 具有压电效应

2、的物质，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。,基本原理分析,2 石英晶体的压电效应,石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。 石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。,a) b) c) 图 石英晶体的外形、坐标轴及切片,a) b) c) 石英晶体的压电效应,上图是垂直Z轴的平面投影。石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷可以解释如下： 石英晶体的每一个晶体单元中，正负离子分布在正六边形的顶角上，如图a 所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，

3、所以外部没有带电现象。 （+）代表硅离子，（-）代表氧离子。,X,如果在X轴方向施加压力，如图b所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在表面B上出现负电荷。如果所受的力为拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。 如果沿y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性如图c所示。施加拉力时，电荷的极性与它相反。,从晶体上切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。选择垂直于X轴的表面作为电荷面，当沿着X轴对压电晶片施加力时，这种现象称为纵向压电效应。,沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上， 这称之为横向压电效应。当

4、沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。,压电效应的类型,(a)纵向压电效应 (b)横向压电效应 (c)电荷面受剪切，称之为面切压电效应 (d)电荷面厚度受剪切，称之为剪切压电效应 (e)多应力作用下的压电效应，称全压电效应，如体积变形压电效应,T表示应力。,单一压电效应：,电荷面有3对面，应力方向有6种，压电常数理论上有18种可能值：,全压电效应:,石英晶体的压电效应,在x方向，有纵向、横向、面切压电效应，如图a、b、c 在y方向，有面切、剪切压电效应，如图d、e 在z方向，无压电效应。,压电材料,具有压电效应的电介质称为压电材料。迄今已出现的压电材料分为三种类型: (1)压电晶体，如压电石英晶体

5、；(2)压电陶瓷；(3)新型压电材料。,三、力电荷转换关系即压电效应产生电荷与所受外力的关系。,例：对于纵向压电效应i=j, Si=Sj, 所以 Qx=d11 Fx 纵向压电效应产生的电荷量,d为电荷灵敏度,3 压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷是一种多晶铁电体，具有电畴结构。电畴是晶体中分子自发极化极化取向的微小区域。在原始状态时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。 极化处理：在一定的温度下，以强电场使电畴规则排列，极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，压电陶瓷就具有了压电性。 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向

6、为Z 轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z 轴的表面上将会出现电荷。,a)极化前 b)极化 c)极化后,(1)在x方向,只有d15的厚度剪切压电效应(a)； (2)在y方向,只有d24的厚度剪切压电效应(b)； (3)在z方向,有d33的纵向压电效应(c), d31的横向压电效应(d), d32的横向压电效应； (f)图为三向压力相等时（如在液体中）压电效应,压电效应的基本变形方式及 压电常数,压电陶瓷的压电常数。比石英晶体高数十倍。,压电材料及压电元件的结构,1 压电材料,选取合适的压电材料要求： 1) 具有较大的压电常数。 2) 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频

7、率。 3) 具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响， 4) 具有较高的居里点。 5) 压电材料有较好的时间稳定性。,压电材料及压电元件的结构,石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质与天然石英晶体接近，成本较低。它在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573，即到573时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能。 但灵敏度很低，介电常数小。 压电陶瓷，压电常数比石英晶体大数十倍。,压电元件的常用结构型式,在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，

8、因此接法也有两种。 图a为并联接法，其输出电容C=nC，输出电压U=U，极板上的电荷量Q =nQ。 图b为串联接法，这时有 QQ， U= nU， C=C/n。,在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。 串联接法电容小，输出电压高，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合，适用于测量瞬变信号。,测量电路,1 等效电路,压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面会聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。,因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图a所示。,测量电路,1 等效电路,还可以把压电式传感器等

9、效成一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为 要保存受力后产生的电荷,外电路的负载必须是无穷大,事实上做不到,只有外力以较高频率不断地作用,产生的电荷才能不断得到补充。所以，压电传感器不适合于静态测量,适合动态量测量。,压电传感器相当于一个与电容串联的电压源,压电传感器实际的等效电路,与测量仪表联接时，须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。,2 .电压放大器,放大器输入电压:,d为电荷灵敏度,电压放大器输出与转换灵敏度,从上式看，灵敏度 有高通特性，若作用力的角频率降低，灵敏度下降。 可见要提高测量灵敏度,在作用力的角频率不变的情况下，就应增大RC的

10、值,而增加C的值又会减低灵敏度,一般都是加大放大器的输入电阻。 结论：应选择输入电阻高的电压放大器， 传感器的电缆会影响测量灵敏度。,压电式传感器的应用,压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多动态非电量的测量。,1 5100系列压电式力传感器,5100系列力传感器，是一种利用石英晶体的纵向压电效应，将“力”转换成“电荷”并通过二次仪表转换成电压的压电式力传感器。它具有气密性好、硬度高、刚度大、动态响应快等优点。目前，5110、5112、5114和5115力传感器已组成各种锤头（钢、铝、尼龙、橡胶）型测力锤，可以测量动态力、准静态力和冲击力。外形如图所示.,5100系列压电式力传感

11、器,2 电荷型石英压力传感器,M112系列为发动机燃烧传感器，适用于发动机汽缸内压力测试。M119系列为高频、抗高冲击型，特别适用于榴弹炮、液体发射药武器的测试。是典型的军工产品，也可广泛应用于民用工业中，如发动机燃烧室压力测量等领域。,6100系列压电加速度计 压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。其外形见图.,6100系列压电加速度计的外形示意图,HZ-9508型测振表外形示意图,压电式超声波传感器范围104-108HZ,声速344米/秒,超声波探头常使用压电材料制作，利用逆压电 效应产生超声波，正压电效应将接收超声波 振动转化为电信号。,P170,超声波特性,传播速度取决于介质密度和介质的弹性常数，束射性强，方向性强，可定向传播，能量远大于声波，穿透力强。 从一种介质入射到另一种介质，发生反射和折射。,超声波探伤（医学疾病检测）,透射法，根据超