[信息与通信]第7章压电式传感器.ppt

传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,主要内容 7.1 压电效应 7.2 压电材料 7.3 等效电路与测量电路 7.4 压电式传感器的应用,传感器原理及应用,第7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。,传感器原理及应用,第7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,压电秤重浮游计,压电加速度计,压电警号,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.1 压电效应,自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非对称两大类，其中非中心对称的有21种，20种具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。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。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.1 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,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.1 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、人工晶体两种都属于单晶体化学式为 SiO2外形无论再小都呈六面体结构沿各个方向的特征不同（按特定方向切片）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,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.1 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,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.1 石英晶体,压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）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,产生电荷大小为:d11纵向压电系数，1为X方向应力 在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:d12横向压电系数，2为Y方向应力 根据晶体的对称性，压电系数 d12=-d11 a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)由拉力还是压力决定qx、qy符号。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.1 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，电偶极矩互成1200夹角，矢量和为零，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轴方向的分量由于 出现上负下正电荷；,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.1 石英晶体,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轴方向的分量由于 出现上正下负电荷；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。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.1 石英晶体,石英晶体压电模型,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,动画演示,石英晶体压电模型动画演示,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.2 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。施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.2 压电陶瓷（多晶体）,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。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.2 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,所以压电陶瓷制作的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。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.3 新型压电材料,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。而新型合成高分子材料，PVF聚氟乙烯、PVF2聚偏二氟乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。灵敏度比PZT（压电陶瓷）大17倍。,压电半导体材料具有压电特性，又有半导体特性，可研制集成压电传感器系统。这些材料有：(ZnS)(CdTe)(ZnO)(CdS)(GaAs),传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.3 新型压电材料,聚偏氟乙烯压电效应,而这些新型合成材料的分子链中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。必须经过拉伸、极化过程，特殊处理才会具有良好的压电效应。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2.4 压电元件主要参数性能,性能参数：压电常数；介电常数（高）；弹性常数；机械耦合系数；工作温度。锆钛酸铅（压电陶瓷PZT）是一种性能优越的压电陶瓷，是目前最普遍使用的压电材料。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.2 压电材料7.2.5 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+-+粘贴时电路串联 电压增加一倍适用于电压放大器,按+-+-粘贴时电路并联 电荷增加一倍适用于电荷放大器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.1 压电传感器等效电路,压电传感器可视为电荷源,视为电荷输出时可等效为电荷源Q和电容Ca并联，开路状态输出端电荷为 视为电压输出时可等效为电压源U与电容Ca串联，开路状态输出端电压为,电容极板上聚集电荷时，极板间有电压存在,电压大小与极板间电荷成正比,可以看成具有+、-极性的电容器；等效为一个Ca的电容器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.1 压电传感器等效电路,等效电压源,等效电流源,传感器接测量电路时还要考虑以下主要因素 电缆等效电容Cc、接入电路的输入电容Ci、放大器输入电阻Ri、传感器漏电电阻Ra。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.1 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,等效电流源,根据它们之间的关系有：,电压灵敏度,电荷灵敏度,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.1 压电传感器等效电路,压电元件内阻很高，需要前置电路有高的输入阻抗。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,由等效电路可见，只有在负载RL时（无漏电）受力产生的电荷才能长期保存下来，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，即时间常数RLCa=大。,前置电路有两个作用：一是放大微弱的信号、二是阻抗变换,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.2 测量电路,（1）电压放大器（阻抗变换器）,电压放大器及等效电路示意图,如果压电元件为正弦作用力变化,电压放大器的输入端,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.2 测量电路,理想情况输入电压幅值,放大器输入电压的复数形式输入的实际幅值（有效值）,d 压电系数 信号频率R=Ra/Ri,相位差,产生的电荷与电压也按正弦变化:,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.2 测量电路,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,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.2 测量电路,电压放大器讨论：压电传感器不能测量静态物理量；一般认为当3时输入电压与信号频率无关，高频响应特性好，优点；提高低频响应的办法是增大,RLCa=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。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.2 测量电路,R1、R2分压经 Rg 耦合作场效应管偏置。观察Rg两端电压，信号到经C1耦合到Rg的A端，由于场效应管跟随作用，使S（源）G（栅）间电压大小近似相等、相位相同。信号经C2耦合到Rg的B端，这时Rg两端电压近相等，Rg上的电流很小，意味着场效应管输入阻抗并没有因分压电路而降低。,电压放大器实例：用场放应管实现高阻抗匹配的放大 自举反馈电路（跟随器）阻抗变换电路,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.2 测量电路,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，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。,（2）电荷放大器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.2 测量电路,理想情况输出电压为：,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Ri阻抗高，几乎无分流，可忽略Ra/Ri并联,输入只对Cf充电。,（2）电荷放大器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路7.3.2 测量电路,由运放特性可求得电荷放大器输出电压,可认为电荷放大器 满足理想条件,当满足 K 1（K=104108）,通常:Ca=几十 pf Cc=100 pf/m Cf=102-108 pf K 105满足（1+K）Cf 10(Ca+Ci+Cc),电荷放大器及等效电路,输出电压与输入电荷量成正比,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.3 等效电路与测量电路 7.3.2 测量电路,电荷放大器的输出电压U0只取决于输入电荷量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。考虑不同量程因素，Cf的容量做成可以选择的电容，一般为100104pF。使用电荷放大器时，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。缺点是电路复杂、价格昂贵。,电荷放大器讨论：,由电压放大器的输出,电荷放大器的输出,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 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.振动测量；5压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；6.新型压电材料（聚偏二氟乙烯）,压电元件符号,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,压电陶瓷片有2引脚和3引脚，其中两引脚方式是将铜片作为一个电极，两片陶瓷片的涂银面用引线连接起来作为另一个电极。,压电陶瓷片,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,压电式压力传感器,具有加速度补偿的压电式压力传感器，压电晶体被夹在两块膜片之间，压电晶体在振动时受到来自两个膜片上同方向的力，使压电晶片无电荷输出。但灵敏度低一半。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,压电式加速度传感器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,压电式玻璃破碎报警器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,压电元件产品,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 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高分子聚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。,投币计数传感器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,压电膜话筒 话筒中，压电膜以一定的支撑形式保持膜内一定张力。在外来声压作用下，膜面的曲率发生变化，使膜内应力改变，产生相应的压电信号。,压电膜话筒结构示意图,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,人体生理量测量 如血压、心音、脉搏等体内和体表检测是PVF2最有前景的场合。柔软、无毒、化学性能稳定，可与血液直接接触。,PVF胎儿心音换能器,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,引信由压电元件和起爆装置两部分组成，压电元件安装在弹丸的头部，起爆装置在弹丸的尾部，通过引线连接。,压电引信 压电引信是利用压电元件制成的弹丸起爆装置。触发度高、安全可靠、不需要安装电源系统，常用于破甲弹上。对弹丸的破甲能力起着极重要的作用。,电雷管,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,原理：平时E（电雷管）处于短路保险安全状态，压电元件即使受压，产生的电荷会通过电阻放掉，不会触发雷管。而弹丸一旦发射起爆装置解除保险状态，开关S从b处断开与a 接通，处于待发状态。当弹丸与装甲目标相遇时，碰撞力使压电元件产生电荷，通过导线将电信号传给电雷管使其引爆，并引起弹丸爆炸，能量使药型罩融化形成高温高速的金属流将钢甲穿透。,电雷管,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,压电传感器测振动 对于多功能转子实验台底座的振动，可采用加速度传感器和速度传感器两种方式进行测量。将带有磁座的加速度和速度传感器放置在试验台的底座上，将传感器的输出接到变送器相应的端口到计算机中。启动转子试验台，可观察并记录到的振动信号波形和频谱。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,压电传感器使用时，要充分考虑环境温度、湿度的影响，基座的应变、电缆噪声的影响。实际应用中，地线的连接也十分重要。接地之间的电位差U会形成回路电流产生噪声，消除接地回路噪声的有效方法是整个系统在一点接地。,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,7.4 压电传感器的应用,晶体管声、光控开关电路,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,本章小结：,压电效应、压电材料、压电元件及结构形式；压电传感器等效电路 测量电路，（1）电压放大器（2）电荷放大器；压电传感器的应用,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,习题与思考题：,1.什么是正压电效应和逆压电效应？纵向压电效应和横向压电效应的区别是什么？试结合压电晶体加以说明。2.压电传感器能否用于静态测量？为什么？说明压电式传感器可测动 态信号频率范围与哪些因素有关。3.电荷放大器和电压放大器各有何特点？它们分别适用于什么场合？4.压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同 接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们适用于何种应用场合？5.己知电压前置放大器输人电阻及总电容分别为R=1M，C=100pF，求与压电加速度计相配测1Hz振动时幅值误差是多少？,传感器原理及应用,第7章 压电式传感器,习题与思考题：,6.用石英晶体加速度计及电荷放大器测量加速度，已知：加速度计灵敏度为5pc/g，电荷放大器灵敏度为 50mV/pc，当机器加速度达到最大值时，相应输出电压幅 值为2V，试求该机器的振动加速度。7.一压电加速度计，专用电缆的长度为1.2m，电缆电容为 100pF，压电片本身电容为1000pF。出厂标定电压灵敏度 为100V/q，若使用中改用另一根长2.9m电缆其电容量为 300pF,问其电压灵敏度如何改变？,