第5章 压电式传感器.ppt

1、第5章 压电式传感器,压电式传感器是一种典型的有源传感器(或发电型传感器)。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 主要内容 5.1 压电效应（重点） 5.2 压电材料 5.3 压电式传感器的测量电路（重点、难点） 5.4 压电式传感器的应用,5.1 压电效应,压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上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。 当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应(电致伸缩效应) ：在电介质的极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形

2、。电场去掉后，变形随之消失。 主要内容 5.1.1 石英晶体的压电效应（重点） 5.1.2 压电陶瓷的压电效应,5.1.1 石英晶体的压电效应,光轴：纵向轴Z-Z； 电轴：经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X-X轴； 机械轴：与X-X轴和Z-Z轴同时垂直的Y-Y轴(垂直于正六面体的棱面) 。 纵向压电效应：把沿电轴X-X方向的力作用下产生电荷的压电效应； 横向压电效应：把沿机械轴Y-Y方向的力作用下产生电荷的压电效应。,图5-1 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系,5.1.1 石英晶体的压电效应,组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，正六边形排列。,图5-2 硅氧

3、离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 (b) 等效为正六边形排列的投影,5.1.1 石英晶体的压电效应,(1)晶体在X轴方向力FX作用下的情况： 当作用力FX=0时，正、负离子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3 。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P3=0,图5-3 石英晶体的压电机构示意图 (a) FX=0 (b) FX0,5.1.1 石英晶体的压电效应,当晶体受到沿X方向的压力(FX 0 (P1+P2+P3) Y=0 (P1+P2+P3) Z=0 当晶体受到沿X方向的拉力(FX0)作用时

4、，晶体沿Y方向将产生收缩。电偶极矩各个方向的分量为 (P1+P2+P3)X0 (P1+P2+P3)Y=0 (P1+P2+P3)Z=0 结论：当晶体受到沿X(即电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。,5.1.1 石英晶体的压电效应,(2)晶体在Y轴方向力FY作用下的情况： 当FY 0时：与晶体受到沿X方向的压力(FX 0)作用相似。 结论：晶体在Y(即机械轴)方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 (3)晶体在Z轴方向力FZ的作用下的情况： 因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保

5、持重合，电偶极矩矢量和等于零。 结论：沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。,5.1.1 石英晶体的压电效应,当晶片受到沿X轴方向的压缩应力XX作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。极化强度PXX与应力XX成正比，即,图5-4 石英晶体切片,根据逆压电效应，晶体在X轴方向将产生伸缩：t=d11UX,5.1.1 石英晶体的压电效应,在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX 改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。,图5-5 晶片上电荷极性与受力方向关系,5.1.1 石英晶体的压电效应,在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷

6、仍 在与X轴垂直平面上出现，电荷的大小为,d11=- d12,电极间电压,根据逆压电效应，晶片在Y轴方向将产生伸缩：,结论： 无论是正或逆压电效应，其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈线性关系； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。,5.1.2 压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料。它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度

7、为零，见图5-6(a)。,图5-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图 (a)极化处理前 (b)极化处理过程中 (c)极化处理后,5.2 压电材料,对压电材料要求具有以下几方面特性。 转换性能。要求具有较大压电常数。机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较 高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 主要内容 5.2.1 石英晶体 5.2.2 压电陶瓷,5.2.1 石英晶体

8、,优点： 具有良好压电特性的压电晶体； 介电常数和压电系数的温度稳定性相当好；,图5-10 石英的d11系数相对于 20 oC的d11 随温度变化特性,图5-11 石英在高温下相对介电常数的温度特性,5.2.1 石英晶体,具有良好压电特性的压电晶体； 介电常数和压电系数的温度稳定性相当好； 性能非常稳定； 机械强度高； 绝缘性能也相当好。 缺点 石英材料价格昂贵； 压电系数比压电陶瓷低得多。 应用场合 一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中,5.2.1 石英晶体,切型IRE标准规定的切型符号表示法和习惯符号表示法。 IRE标准规定的切型符号包括一组字母(X、Y、Z、t、l、b)和角度。 （1）

9、用X、Y、Z中任意两个字母的先后排列顺序，表示石英晶片厚度和长度的原始方向； （2）用字母t(厚度)、l(长度)、b(宽度)表示旋转轴的位置。 （3）当角度为正时表示逆时针旋转；当角度为负时，表示顺时针旋转。 例1：(YXl)35切型：其中第一个字母Y表示石英晶片在原始位置(即旋转前的位置)时的厚度沿Y轴方向，第二个字母X表示石英晶片在原始位置时的长度沿X轴方向，第三个字母l和角度35表示石英晶片绕长度逆时针旋转35。 例2：(XYtl)5/-50切型：它表示石英晶片原始位置的厚度沿X轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度t逆时针旋转5，再绕长度l顺时针旋转50。,5.2.1 石英晶体,图5-12

10、(YXl)35切型 (a)石英晶片原始位置 (b)石英晶片的切割方位,图5-13 (XYtl)5/-50切型 (a)石英晶片原始位置 (b)石英晶片的切割方位,5.2.1 石英晶体,表5-1 石英晶体两类切型符号之间对应关系,5.2.2 压电陶瓷,表5-2 常用压电材料的主要特性,5.3 压电式传感器的测量电路,主要内容 5.3.1 等效电路 5.3.2 测量电路,5.3.1 压电式传感器的等效电路,1）静电发生器：当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。 2）电容器：也可以把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其电容量为,

11、图5-14 压电传感器的等效原理,5.3.1 压电式传感器的等效电路,当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，其大小为 1)一个电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路； 2) 一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路。,图5-15 压电传感器等效电路 (a)电压等效电路 (b)电荷等效电路,5.3.1 压电式传感器的等效电路,完整电荷等效电路：如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线的等效电容、电阻，前置放大器的输入电阻、输入电容。,图5-16 压电传感器的完整等效电路 Ca传感器的电容 Ci前置放大器输入电容 Cc连接导线对地电容 Ra包括连接导线在内的传感器绝缘电阻

12、 Ri前置放大器的输入电阻,5.3.2 压电式传感器的测量电路,压电式传感器的前置放大器的两个作用： （1）把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出； （2）放大压电式传感器输出的弱信号。 压电式传感器的前置放大器的两种类型： （1）电压放大器：其输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比； （2）电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。 1、电压放大器,图5-17 压电传感器连接电压放大器的等效电路,5.3.2 压电式传感器的测量电路,压电元件所受作用力F,压电陶瓷的压电系数 d33,压电元件产生的电压值,Ua = Umsint,放大器输入端的电压Ui,等效电阻R,等效电容C C=Cc+

13、Ci,5.3.2 压电式传感器的测量电路,Ui的幅值Uim,输入电压与作用力之间的相位差,=R(Ca+Cc+Ci),0=1/,Ui的幅值Uim的另一种形式,结论： (1) 如果/0 1，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压Uim与频率无关。一般认为/0 3，可以近似看做输入电压与作用力频率无关。 (2) 在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。,5.3.2 压电式传感器的测量电路,当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，就会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数。但是靠增大测量回路

14、的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据电压灵敏度Ku的定义，得 结论：传感器的电压灵敏度Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使传感器的灵敏度下降。为此常将输入内阻Ri 很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。,R 1,5.3.2 压电式传感器的测量电路,2、电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器。,图5-19 电荷放大器原理电路图,图5-20 压电传感器接至电荷放大器的等效电路图,5.3.2 压电式传感器的测量电路,电缆电容Cc,5.3.2 压电式传感器的测量电路,（1）A0对输出电压USC影响 1)当A0足够大时，

15、传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。由于1/RFCF，则 结论：当A0足够大时，输出电压只取决于输入电荷q和反馈电容CF，改变CF的大小便可得到所需的电压输出。 2)当A0不是足够大时，有,5.3.2 压电式传感器的测量电路,例：若Ca=1 000 pF、Cc=(100 pF/m)100 m=104 pF， CF=100 pF、 当要求1%时，求运放的开环放大倍数的最小值。 解：由上式得 因此A0104。,5.3.2 压电式传感器的测量电路,（2） 对输出电压USC的影响,当很低时，电导与电纳相比不可忽略,USC为

16、一复数，其幅值和相位都将与有关,-3 dB截止频率：,相位差：,5.4 压电式传感器的应用,主要内容 5.4.1 压电式加速度传感器 5.4.2 压电式压力传感器 5.4.3 压电式流量计,5.4.1 压电式加速度传感器,1、结构原理 压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。,图5-21 纵向效应型加速度传感器截面图,当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力为F=ma。,5.4.1 压电式加速度传感器,惯

17、性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 结论： （1）电荷量直接反映加速度大小。 （2）灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。 提高传感器灵敏度的措施： （1）选择压电系数大的压电陶瓷片。 （2）若增加质量块的质量会影响被测振动，同时会降低振动系 统的固有频率，因此一般不用增加质量的办法来提高传感 器灵敏度。 （3）用增加压电片的数目和采用合理的连接方法也可以提高传 感器灵敏度。,5.4.1 压电式加速度传感器,压电片的连接方式有两种： 并联形式：片上的负极集中在中间极上，其输出电容C为单片电容C的两倍，但输出电压U等于单片电压U，极板上电荷量q为单片电荷量q的两倍，即 q=2q；U=U；C=2

18、C,图5-22 叠层式压电元件的串联和并联,串联形式：正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q等于单片电荷q，而输出电压U为单片电压U的二倍，总电容C为单片电容C的一半，即 q=q；U=2U； C=(1/2) C,5.4.1 压电式加速度传感器,2、动态响应 压电式加速度传感器可用质量m，弹簧k、阻尼c的二阶系统来模拟。 设被测振动体位移x0，质量块相对位移xm，则质量块与被测振动体的相对位移为xi，即 xi=xm-x0,图5-23 二阶模拟系统,牛顿第二定律,5.4.1 压电式加速度传感器,5.4.1 压电式加速度传感器,频率传递函数 幅频特性 相频特性,5.4.1 压电式加速度传感器,质量块与被测振动体相对位移xm-x0即为压电元件受力后产生的变形量，于是有 当力F作用在压电元件上，则产生的电荷为,压电式加速度传感器 灵敏度与频率的关系,5.4.1 压电式加速度传感