压电式传感器.ppt

1、1,第六章 压电式传感器,第一节 压电效应 第二节 压电传感器的等效电路和测量电路 第三节 压电传感器的应用,2,压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的 压电效应。,某些电介质在外力作用下，在电介质的表面上产生 电荷，从而实现非电量的测量。压电式传感器元件是力 敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量， 例如力、应力、加速度等。,3,压电式传感器的优点： 响应频带宽 灵敏度高 信噪比大 结构简单 工作可靠 体积小、重量轻,4,第一节 压 电 效 应,正压电效应：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 面上便产生符号相反的电荷，并且电荷

2、密度与力大小成 比例，当外力去掉后，介质又重新恢复到不带电状态。 这种现象称为正压电效应。,5,逆压电效应：当在电介质两个表面施加外电场， 这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压 电效应”（电致伸缩效应）。,6,压电效应及可逆性,压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料，压电 材料能实现 机 电 能量的相互转换。,7,电介质及其极化,电介质就是绝缘体，其主要特征是内部电子处于束缚 状态，当把电介质放入外电场中时，带电粒子只能作微观 的相对位移，因此不导电。,电介质,有极分子 无极分子,8,极化：在电场作用下，电介质中极化电荷发生位移 或按电场方向转动的现象，称为极化。,自发极化：有一些

3、电介质，当施加外电场时，产生了 极化，当外电场撤去，仍然保持极化状态，这种在没有外 电场作用下，存在由于电偶极子有序排列而产生的极化， 称为自发极化。,9,铁电性：电介质在一定温度范围内具有自发极化的 性质称为铁电性。这种电介质称为铁电体。铁电体内部 可分成若干个小区域，自发极化方向一致的区域称为铁 电畴，简称电畴，如图所示。,10,在一定温度范围内，铁电体的极化强度 P 落后于外 电场强度E 的增长。当外电场足够强时，极化达到饱和。 当E 减小，P 不按原来变化曲线减小；当 E = 0 ，电介 质有剩余极化Pr ；当E 大小和方向作周期变化， P 与E 关系形成回线， 这个回线称电滞回线，

4、如图所示。,11,铁电体只有在某一温度范围内才具有铁电性，它 有一临界温度Tc，当温度高于临界温度，铁电体发生 结构相改变，由铁电相转向为顺电相，自发极化消失。 这个临界温度称为居里温度。,居里温度:指压电材料开始丧失压电特性的温度。,12,压 电 材 料,在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应 十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸 钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。,压电材料可以分为三大类：,压电晶体（单晶体） 压电陶瓷（多晶体） 高分子压电聚合材料 压电半导体 复合压电材料,13,1压电单晶体,石英晶体是性能相当稳定的压电材料，它的介电常数 和压电系数非常稳定，

5、在20200C温度范围内，温度每升 高1，压电系数仅减小0.016%，升高到200时，压电系 数仅减小5%。当温度达到573时，石英便失去压电特性， 而此温度称为石英的居里点。 性能稳定，机械强度高，绝缘性能好是石英晶体的突 出优点。但石英晶体价格昂贵，压电系数较低，一般用在 标准仪器或性能要求高的传感器中。,压电单晶体包括石英（SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、 硫酸锂（LiSO4）、酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O）等。,14,15,16,17,石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构，各向异性。 如图是天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。 有3 个晶轴。,Z轴：纵向轴 ，光轴

6、，此方向不产生压电效应。,X轴：电轴，经过六面体棱线并垂直于光轴。 此方向的压电效应最明显。一般把沿 电轴x方向的力作用下产生 电荷的压电效应称为“纵向 压电效应”,18,Y轴：机械轴，与x和 z 轴同时垂直的轴。把沿机械轴 y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。,19,晶体与非晶体材料区别在于晶体的许多物理特性 取决于晶体中的方向，而非结晶材料的特性则与方向 无关。利用石英的压电效应进行力 电转换，需将 晶体沿一定方向切割成晶片。适于各种不同应用的切 割方法很多，最常用的就是 X 切割和Y 切割。,石英最明显的优点是它的介电和压电常数的温度 稳定性好，适用于做工作温度范围

7、很宽的传感器。,20,天然石英的稳定性很好，但资源少，并且大多存 在一些缺陷。故一般只用在校准用的标准传感器或精 度很高的传感器。,由于天然生长的石英资源有限，一般采用人工培养 方法获取石英晶体制作石英传感器。近些年来，出现了 比石英晶体性能还优异的人工培养的压电晶体，如瑞士 Kistler公司研制的K185，这种在1000高温环境下生长 的新型晶体（亦为单晶体），除具有与石英晶体相同的 高强度和温度稳定性之优点外，还具有比石英高3倍多的 压电常数和直到700的工作温度范围。这种优异的晶体 被用来制作一些微型高精度压电传感器。,21,图6-7 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向；

8、(c) 晶片,22, 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正 六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1 、 P2 、P3 ，合成电偶极距为零。如图6-3（a）所示。,图6-7是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离 子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形 排列。 图中“+”代表硅离子Si4+， “ - ”代表氧离子O2-。,P1 + P2 + P3 = 0,23,图6-3 石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力,24,当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿 x 方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之

9、变动。 如图所示，此时正负电荷重心不再重合，在x轴方向上受 到压力时，晶体在x轴方向出现电荷，电荷极性如图所示， 而在y轴和z轴方向上没有出现电荷。,25,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形 如图6-3(c）所示。与图6-3（b）情况相似，P1 增大，P2、 P3减小。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电 荷。在y轴方向上仍不出现电荷。,26,当作用力Fx、Fy 的方向相反时，电荷的极性也随之改变。,如果沿 z 轴方向施加作用力，因为晶体在 x 方向和 y 方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持 重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿 z 轴方向施加 作用力，晶体不会产生

10、压电效应。,27,2压电陶瓷,压电陶瓷是一种人工制造的各向同性多晶体，它是一 种具有压电效应的功能陶瓷。与铁磁性材料的磁畴结构类 似，原始的压电陶瓷材料内部具有无数自发极化的电畴。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的 极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原 始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质, 如图（a）所示。,（a） 未极化,28,（a） 未极化 （b） 电极化,在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋 向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈 强， 电畴就更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使 材料的极化达到饱和程度，即所有电畴极化方向都

11、整齐地与 外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本 不变化，陶瓷内极化强度不为零，这种极化强度称为剩余极 化强度，这时材料才具有压电特性, 如图（b）所示。,极化处理,29,极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转， 从而引起剩余极化强度的变化， 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：,式中： d 压电陶瓷的压电系数； F 作用力。,30,压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以

12、采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化， 从而使其压电特性减弱。 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按11摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有115，使用温度不超过70，温度稳定性和机械强度都不如石英。,31,32,石英晶体和压电陶瓷两种压电材料的特点,石英晶体：居里点温度高（高达573），稳定性好， 无热释电现象。但压电常数小，成本高。 压电陶瓷：压电常数大，成本低。但居里点温度低， 稳定性不如石英晶体，有热释电现象，会 给传感器带来

13、热干扰。利用热释电现象特 性可以制作热电传感器，如红外探测。,33,3高分子压电聚合材料,聚偏氟乙烯 ( PVF2 ) 是压电性能较好的高分子压电聚合 材料，其压电机理目前尚不完全清楚，一般认为它存在抵消 不了的偶极子，PVF2薄膜经延展拉伸，可使其分子链轴规则 排列。这种材料具有以下特点：, 结构简单。 力学性能好，不易断裂、破碎，有一定韧性，可弯曲。 抗辐射性好。 材料弹性刚度小，机械损耗大， 适用于宽带传感器。 压电应变常数很高，适于做接收型压电振子。 声阻抗接近人体组织声组抗，与人体有良好的匹配性。 室温条件下性能稳定。,缺点：压电转换效率低，耐高温性能差，老化性能差，功率小， 电极镀

14、层易剥落。,优点：,34,35,36,有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。两者结合起来，就出现了集转换元件和电子线路为一体的新型传感器，它的前途是非常远大的。,4. 压电半导体,37,把压电陶瓷粉末与高分子化合物混合即可制成复合压电材料。其基质是高分子聚合物，有柔韧性，加入压电陶瓷粉末后使压电常数与机械系数等性能明显地提高。其性能介于压电陶瓷与压电聚合物之间。,5. 复合压电材料,38,第二节 压电传感器的等效电路和测量电路,一、力压电传感器原理,压电式传感器的基本原理就是利用

15、压电材料的压电 效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器 就有电荷（或电压）输出。,当压电元件受到压力作用，通过正压电效应，在其 两个电极面上将产生电荷，电荷量的多少与压电元件的 材料、压力方向等因素有关。,39,压电式传感器所积累的电荷不可能长期保存，因为 使用时存在负载电阻泄漏电荷现象所以压电式传感器 不宜做静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断 得到补充，提供给测量电路一定的电流，故压电式传感 器只适宜做动态测量。为了对压电式传感器进行定量分 析，必须建立压电式传感器的等效电路。,40,二、压电式传感器的等效电路,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

16、。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集 正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等 效于一种介质， 则其电容量为,41,压电传感器可等效为电压源US和一个电容器CS的串联 电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器CS 的并联电路，如图(b)。,（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路 压电传感器等效原理,42,压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电 路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大 器的输入电阻 Ri , 输入电容Ci 以及压电传感器的泄漏电 阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路， 如图所示。,压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源; （

17、b） 电荷源,43,三、 压电式传感器的测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小， 输出的信号十分微弱，给后续测量电路提出了很高的要 求。所以它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前 置放大器。其作用为： 把压电传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗； 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。,44,图 (a)、(b)是电压放大器电路原理图及其等效电路。,1. 电压放大器,电压放大器电路原理及其等效电路图 （a） 放大器电路; （b） 等效电路,45,在图(b)中，电阻R = ReRi/(Re

18、+Ri)，电容C = Ce + Ci ， 而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力 f = Fm sint的作用， 则其电压为,（6-1）,式中： Um压电元件输出电压幅值，Um=daFm/Ca； da 压电系数。,46,(6-2),输入电压和作用力之间相位差为,(6-3),47,在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-2）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为,(6-4),式（6-4）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在/03时，就可以认为Uim与无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即,48,作用力在低频段，当作用于压

19、电元件的力为静态力 （=0）时，前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷 会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以 压电传感器不能用于静态力的测量。,压电传感器有很好的高频响应，式(6-5)表明，当作用 力在高频段时，放大器输入电压的幅度与作用力的频率无 关，仅取决于等效电路参数，这是压电传感器适用于交变 压力测量的主要原因。,当/0 1，即作用力在高频段，,(6-5),49,电压放大器小结：,（1）理想情况下，前置放大器的输入电压Uim与频率无关； 实际上，当/03 时，就可以认为Uim与频率无关。 （2）因此，压电传感器有很好的高频响应。 （3）但是，压电传感器不能用于静态力的测量

20、。 （4）因为，Uim 与压电缆电容 Cc 有关，因此，压电传感器 与前置放大器之间的连接电缆不能随意更换，否则将 引入测量误差 。,50,2. 电荷放大器,电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。 它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出 电压正比于输人电荷，因此电荷放大器同样也起着阻抗变 换的作用，其输人阻抗高达1012一1014，其输出阻抗小 于100 。,51,电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，它是一个 具有深度负反馈的高增益放大器，其特点是具有高输入电 阻，传感器灵敏度与电缆长度无关，可用于远距离电荷放 大。由一个反馈电容Cf 和高增益运算放大器构成。由于运 算

21、放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故 可略去R0和Ri并联电阻。,52,由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压,（6-6）,通常前置放大器的开环放大倍数 A = 104 108，因此 当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，式（6-6）可表示为,（6-7）,电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换成电压 （Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，电荷放大器 只是一种习惯叫法。,53,由式（6-7）可见，电荷放大器的输出电压uo只取 决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与 q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要 的测量精度，要求反馈电容Cf 的温度和

22、时间稳定性都很 好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容 量做成可选择的，范围一般为100104pF。,54,55,第三节 压电式传感器的应用,1、一般应用,56,压电传感器在煤气灶电子点火器上的应用,煤气灶上用的一种电子点火器，就是利用压电陶瓷 制成的。一般压电传感器由两个压电陶瓷元件并联组成 其结构如图（a）所示。其输出电容为单片电容的两倍， 极板上的输出电荷量为单片电荷量的两倍，则两极之间 输出电压与单片输出电压相等。,点火器就是利用压电陶瓷的压 电特性，向其上施加力，使之 产生十几kV的高电压，从而产 生火花放电，达到点火的目的。,57,煤气灶电子点火装置如图（b）所示。当按

23、下手动凸轮 开关1 时，把气阀6打开，同时凸轮凸出部分推动冲击钻 2， 使得弹簧3被冲击钻2向左压缩，当凸轮凸出部分离开冲击钻 时，由于弹簧弹力作用，冲击钻猛烈撞击陶瓷压电组件 4， 产生压电效应，从而在正负两极面上产生大量电荷，正负电 荷通过高压导线5在尖端放电产生火花，使得燃气被点燃。,58,59,只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报 警信号，驱动报警执行机构工作。 玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及 其它商品柜台保管等场合。,60,61,62,HKY-06A型心音传感器,2生物医学压电传感器,63,HKY-06A型心音传感器采用新型高分子聚合材料微音 传感元件采

24、集心脏搏动和其它体表动脉搏动信号，再经过 高度集成化信号处理电路处理。输出低阻抗功率信号，可 直接驱动耳机，也可以连接计算机进行录音，并以Mp3或 Wav格式存储.通过附送录音软件可以记录心音信号并且看 到心音图谱，进行图谱分析。可用于临床听诊，心音分析， 心音图谱分析等领域。,64, 触觉、压力、位移 传感器. 检测癌症 比人类触觉敏感4倍,65,66,压电式喷墨打印机是利用压电传感器对墨水施加冲击。 当计算机控制的变化电压施加在压电传感器上（压电陶瓷） 时，它会随电压的变化而发生体积的收缩和膨胀，体积变 化的方向取决于压电材料的结构和形状。当传感器收缩时 会对喷嘴内的墨水施加一个直接的高压

25、，使其从喷嘴高速 喷出。电压消失后，压电材料恢复到原来的正常尺寸，墨 室依靠毛细作用被储墨器充满。,压电传感器 的应用,67,“骨骼打印机”来了！ 植入人体刺激断骨长成,据美联社和加拿大媒体 2007 年4月16日报道，加拿大 科学家最近研发出一种神奇的“骨骼打印机”。它利用类似 喷墨打印机的原理，以人造骨粉及一种酸性液体为“油墨”， 以一层类似陶瓷粉末的薄层为“纸张”，“打印”出与患者缺 损骨骼一模一样的立体人造骨骼。随后，医生将人造骨注 入患者体内，直到新骨骼长出。,由于人造骨骼成分与自然骨骼完全相同，因此不会 引发人体排异反应。这一革命性的骨骼修复技术一经推 出，立即轰动了国际医学界。,

26、压电传感器 的应用,68,69,10分钟精密“打印”过程 如果患者的骨头不幸断裂受损，传统的骨头移植方 法是取患者其他部位的骨头或者利用陶瓷等材料制作 替代骨头。然而，加拿大麦吉尔大学最近却发明出一项 革命性的骨骼修复技术，其基本原理与喷墨打印机的工 作原理类似。,首先，扫描。医生通过扫描仪扫描重建受损骨头原 本应有的形状，并且将3D影像传送至与一台特制打印机 相连的计算机。,70,然后，打印。一台如3个文件柜般大小的“骨骼打 印机”接到计算机指示后，将“墨盒”内装的“油墨”（骨 粉及一种酸性液体）喷洒到“纸张”（一层类似陶瓷粉末 的薄层）上。二者产生化学反应之后，厚为0.01厘米的 “纸张”

27、将自然变硬。在一层“纸张”完成后，打印机会重 复打印过程。当一层层“纸张”叠加 在一起达到设定的 厚度时，立体人造骨骼的制作即可大功告成。“打印”一 块与缺损骨骼一模一样的精密立体人造骨骼一般只需10 分钟。,71,植入“架桥”后分解 接下来，医生将“打印”出来的立体人造骨骼植入患 者的受伤部位，前者可在两块断裂的骨骼之间担任重要 的“桥梁”角色。当人造骨骼被植入后，它会刺激新骨胳 组织及血管的再生，最终新骨胳将自然连接断裂的受损 骨胳。随着时间推移，人造骨胳将自然分解并为人体所 吸收，省却了日后再次手术将其取出的麻烦，不会产生 任何不利影响。,72,据麦吉尔大学杰克巴拉力特教授解释称，“骨骼

28、 打印机”产生的人造骨骼组织相当精细准确，未来整 形手术、重建手术与脊椎手术都能因此获益，不过这 种新科技要进入医院成为通用可行的疗法，还有一段 长路要走，目前只是跨出了第一步。然而国际医学界 普遍认为，此新科技会为骨骼移植手术带来重大革新。 一旦最终研发成功，必将大大造福人类。,73,3超声换能器,医用超声换能器是医用超声仪器的关键器件。压电超声 换能器则在医用超声换能器中几乎占统治地位。它的工 作是可逆的。超声诊断仪器中利用逆向压电效应和正向 压电效应，发射并接收超声。在超声治疗机中仅利用逆 向压电效应发射超声波。故习惯上称之为换能器，不称 传感器。,74,超声波雾化原理： 利用压电陶瓷所固有超声波振荡 特点，通过一定的振荡电路手段与压电陶瓷固有振荡频 率产生共振（振荡频率为1.7MHz 或2.4MHz）， 就能直 接将与压电陶瓷接触的液体雾化成 1 3m的微小颗粒。 与加热雾化方式比较，能源节省了90%。另外在雾 化过程中将释放大量的负离子，其与空气中漂浮的烟雾、 粉尘等产生静电式反应，使其沉淀，同时还能有效去除 甲醛、一氧化碳、细菌等有害物质，使空气得到净化， 减少疾病的发生。,超声雾化器,75,袖珍型超声液体雾化器,1. 主要应用： 医 疗：能在常温下，将水溶剂药物，雾化成微小雾粒， 供病人吸入治疗。 美 容：能使多种营养液，渗透到肌肤深层，为肌肤提供 充足