第6章 压电式传感器.ppt

1、第6章 压电式传感器,Piezoelectric sensors,压电石英晶体动态力传感器,压电陶瓷超声波接收器,压电薄膜心音传感器,压电薄膜脉搏传感器,压电式传感器,压电式传感器是以某些具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。在外力作用下，传感器会产生一定量的输出电荷，从而实现力等非电量的测量 它广泛用于超声、雷达等仪器中,压电式传感器有两个特点： 它是自发电的，即无源的（不需要电源就可以工作） 它具有可逆性，存在压电效应，也存在逆压电效应,主要内容,工作原理：压电效应 压电方程和压电常数矩阵：定量描述压电效应 压电材料的特性，包括压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜 两种等效电路及测量电路 电压

2、发生器和电压放大器 电荷发生器和电荷放大器,一、工作原理：压电效应,对某些电介质存在受力极化的现象，即：在一定方向上受到外力作用而变形时，会在一定方向的表面产生正负电荷分布，且电荷量的大小正比于作用力的大小，这种现象称为正压电效应,可见，压电效应中输入量为力F，输出量为电荷Q。但一般为了描述压电效应，将输入量设定为应力T，输出量设定为电荷密度,应力与电荷密度,力与应力：用F表示力，用T表示应力，即单位面积上的力： 电荷与电荷密度：用Q表示电荷，用 表示电荷密度，即单位面积上的电荷：,压电效应可以用下面的方程描述： 该方程称为压电方程，它描述了压电传感器输出（电荷密度）与输入（应力）之间的静态关

3、系 d相当于灵敏度,施加的应力T是有方向的，为一个向量，产生的电荷分布 也是有方向的，也为一个向量 d是一个常数矩阵，称为压电常数矩阵,从能量角度看，压电效应实现机械能-电能的转换,补充：逆压电效应,具有压电效应的电介质，在某一方向上对其施加电场E时，在某个方向会产生正比于电场的形变S，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。可用逆压电方程表示为： 称为逆压电常数矩阵,二、压电方程和压电常数矩阵,压电效应可用压电方程来定量描述，如下： d称为压电常数矩阵 不同的压电材料具有不同的压电常数矩阵 相同的压电材料，如果加工方式不同，也会有不同的压电常数矩阵,应力：如图所示，一共有6个方向 ：分别表示沿

4、x,y,z方向上的应力（拉力为正，压力为负） ：分别表示绕x,y,z方向上的切应力（右旋为正，左旋为负）,6个应力组合为一个应力向量：,电荷密度：一共有3个方向的电荷密度 ：分别表示垂直x,y,z轴的平面上的电荷密度（电荷产生的电场方向与轴方向相同为正，相反为负）,3个电荷密度组合为一个电荷密度向量：,三个端面的面积： ：分别表示与x,y,z垂直的端面面积,因此有： 写为向量-矩阵形式的压电方程为：,压电常数矩阵举例,X0度切型的石英晶体压电常数矩阵：,X0度切型的石英晶体的两种典型应用： 纵向压电效应：施加力 ，产生电荷 横向压电效应：施加力 ，产生电荷,压电陶瓷的典型切割：,钛酸钡压电陶瓷

5、压电常数矩阵：,钛酸钡压电陶瓷的典型应用： 纵向压电效应：在z方向施加力 ，在z方向的面上产生电荷,从上述典型应用可以看到，一般都是在一个方向上施加力，在一个方向上获取电荷。因此，力与电荷关系为： d为压电常数,三、压电材料,把具有压电特性的电介质统称为压电材料。对于压电材料，需要考虑的特性参数有： 压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数，代表着压电转换的灵敏度 弹性常数：决定着压电器件的固有频率和动态特性 介电常数：决定了压电器件的固有电容，固有电容影响着传感器的频率下限,机电耦合系数：输出电能与输入机械能之比的平方根，是衡量压电材料能量转换效率的重要系数 绝缘电阻：决定着材料的电荷泄漏情况，

6、对传感器的低频特性有影响,压电材料主要有三大类： 压电晶体：单晶体，以石英晶体（SiO2）为代表 压电陶瓷：多晶体，如钛酸钡陶瓷（BaTiO3）、铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）等 新型压电材料：有机高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯PVDF(PVF2)压电薄膜,石英晶体（天然，人工）：,3.1、压电晶体,z轴称为光轴，也称中性轴，沿该方向施加力无压电效应 x轴称为电轴，沿该方向施加力，产生的压电效应最强 y轴称为机械轴，沿该方向施加电场，逆压电效应最强,石英晶体主要性能特点： 压电常数小，灵敏度不高，但是它的时间和温度稳定性极好 机械强度高，可以承受很大的应力 固有频率高，动态特性好 居里点573C，

7、温度稳定性好 常用于精度和稳定性要求高的场合,3.2、压电陶瓷,压电陶瓷的极化处理： 压电陶瓷的微观结构：为多晶体，具有电畴结构，每个电畴自发极化，但方向杂乱，此时压电陶瓷不具有压电性,在一定温度下施加强直流电场，电畴极化方向趋向规则排列，使材料极化,当外电场撤去后，电畴方向基本保持不变，形成很强的剩余极化，材料表面产生束缚电荷,陶瓷表面很快吸附一层来自外界的自由电荷。对外不表现极性 当受到与极化方向平行的外力作用，电畴偏转，内部极化电荷减小，则表面产生正负电荷分布，因此，具有了压电性,压电陶瓷主要性能特点： 相对压电晶体而言，压电常数大，灵敏度高 制造工艺成熟，成本低，利于广泛应用 刚度不够

8、，受力不能太大 居里点温度低，温度稳定性差,3.3、新型压电材料,有机高分子压电材料（压电薄膜）： 某些高分子聚合物，经拉伸和极化处理后具有压电性，称为压电薄膜，如聚氟乙烯PVF，聚偏氟乙烯PVDF(PVF2)。如果在这些高分子化合物中掺杂压电陶瓷粉末，可以提高其压电性,压电薄膜的特点： 压电效应明显，压电系数比石英高10倍，但比压电陶瓷低10倍 具有优异的宽频带响应特性 具有很高的化学稳定性,质轻柔软，可制成轻软牢固的检测元件 便于批量生产，可制成大面积阵列传感器 工作温度低，不能超过80度 产品一致性差，这是主要应用障碍,PVDF，Polyvinylidene Fluoride，聚偏二氟乙

9、烯 1969年日本学者Kawai首次报导PVDF具有十分明显的压电效应 需要经过拉伸、极化处理后才有压电效应 对电极材料的选择和制作，信号引线的制作有一定的要求和难度,PVDF的应用：,四、压电器件的等效电路与测量电路,压电器件可以看成是一个可以产生一定电荷Q的电荷源，它具有一定的电容 和绝缘电阻 。同时，它也可以看成是一个能产生一定电压的电压源，电压表示为 因此，压电器件有两种等效电路： 电荷发生器 电压发生器,电荷发生器：由电荷源、电容和绝缘电阻构成,电荷Q=dF，d为压电常数 电容 绝缘电阻,电压发生器：由电压源、电容和绝缘电阻构成：,电压 与电荷Q的关系为：,测量电路需要解决两个问题：

10、 由于压电器件的输出信号很微弱，需要通过测量电路进行放大 由于压电器件具有电容性，输出阻抗很高，不适合直接测量，需要通过测量电路进行阻抗变换，即将高输出阻抗变为低输出阻抗,两种测量电路： 电压放大器：将压电器件看成电压源 电荷放大器：将压电器件看成电荷源 两种测量电路结构不同，性能也不同，下面分别论述,实际使用时，压电器件一般需要通过电缆与测量电路连接，如下图所示： 电缆可等效为一个与压电器件并联的电容 电缆电容对两种测量电路的影响是不同的,电压放大器,为前置放大器的输入电阻和输入电容 前置放大器的放大倍数为A,取前置放大器的输入端电压 做为测量电路的输出电压进行研究 电阻 ，电容,假设 为输

11、入信号角频率，可得：,可得电压放大器的频率响应：,电压放大器的幅度响应，即动态增益：,先分析静态特性：当输入信号为直流时，即 ，可得： 因此，压电式传感器不能用于静态量的测量,分析理想情况： ，此时的动态增益为 理想时，增益是与信号的频率无关的常量，这是我们所期望的,理想情况时电压与力的关系为：,非理想情况： ，令 ，为测量电路的时间常数，则实际增益为 可得实际增益与理想增益之比：,当 ，即输入信号频率较大， ，此时，实际增益趋近于理想增益 因此，压电式传感器的高频特性较好，这是压电式传感器的优点,当 ，即输入信号频率较小， ，此时，实际增益趋近于零 因此，压电式传感器的低频特性较差,改善传感

12、器的低频特性的方法是：使得当输入信号频率 很低时，仍有较大的 ，因此，必须提高测量电路的时间常数,如果提高电容 ，会降低理想增益 因此，这种方式不可取,因此，只能提高电阻 ，这种方式不会影响理想增益，又能改善低频特性 一般压电器件的漏电阻 很大，所以必须提高前置放大器的输入电阻 ，要求：,电压放大器的缺点： 为了改善低频特性，要求放大器的输入电阻 非常大，低频特性有待提高 理想增益与电缆电容有关 当更换电缆时，电缆电容 发生变化，必须重新进行标定,由于电压放大器的缺点，在压电传感器中使用最多的测量电路为接下来要讲的电荷放大器,电荷放大器,前置放大器为一个高增益的负反馈放大电路，放大倍数 为负反馈电阻， 负反馈电容,利用负相端虚断和电流守恒定律，可得：,g表示电导,由于 ，代入可得： 理想情况下， ，所以有：,如果放大倍数A很大，且 ，则有：,可见，理想情况下对于电荷放大器，只要选择较大的A，且反馈电容 则理想增益为： ，与频率无关,电荷放大器与电压放大器的理想增益相比较： 电压放大器： 电荷放大器：,电荷放大器的优点,1、电荷放大器的增益与电缆电容无关，所以如果需要更换电缆，不必重新标定。这是电荷放大器的主要优点,2、不作证明，电荷放大器的频率下限为： 它与电缆电容无关 一般选择很大， 很小，因此其低频特性也优于电压放大器，可测