教学课件PPT压电式传感器.ppt

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1、2023/3/6,1,第6章 压电式传感器,压电式传感器的工作原理 某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种有源传感器。,特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大,应用范围：压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲击与振动等许多非电量的测量，广泛应用于声学、医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。,但不适用于静态参数的测量,1880年居里兄弟研究石英时发现,2023/3/6,2,一、压电效应,正压电效应：利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷 去掉外力后，电荷消失，状态复原 作用力相反，电荷极性也发生变化,逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电

2、介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。,2023/3/6,3,压电晶体,压电陶瓷,高分子材料,石英晶体（SiO2）,钛酸钡（BaTiO3）,锆钛酸铅（PZT）,聚偏二氟乙烯（PVDF）,二、压电材料,复合压电材料,2023/3/6,4,压电材料主要特性参数压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出的灵敏度弹性系数：材料弹性常数，决定器件的固有频率的动态特性介电常数：固有电容与介电常数有关，影响传感器下限频率机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数，等于转换输出能量与输入能量之比的平方根。电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性居里点：材料开始丧失压电特性的温度,如石

3、英573,2023/3/6,5,天然形成的石英晶体外形,1、石英晶体,2023/3/6,6,天然形成的石英晶体外形,2023/3/6,7,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,2023/3/6,8,石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。右图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。,特点：1）晶体各个方向的特性不相同2）Z轴（光轴）方向没有压电效应3）X轴（电轴）面压电效应最强 4）Y轴（机械轴）方向机械变形最大,2023/3/6,9,纵向压电效应,横向压电效应,无压电效应,压电系数,光轴,电轴,机械轴,电荷Qx和Qy的符号由受拉力还是受压力决定,2023/3/6,10,正

4、常情况下石英体中正负电荷处于平衡，外部呈中性。,不受力,晶体在x方向受力,晶体在y方向受力,正负电荷产生移动，出现带电现象。,Fy,Fy,Fx,Fx,石英晶体压电模型,2023/3/6,11,P1,P2,P3,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。如图 所示。,石英晶体压电模型,2023/3/6,12,P1,P2,P3,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变动。,石英晶体压电模型,2023/3/6,13,P1,P2,P3,此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上

5、的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,石英晶体压电模型,2023/3/6,14,P1,P2,P3,-,+,石英晶体压电模型,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。,2023/3/6,15,P1,P2,P3,石英晶体压电模型,-,+,2023/3/6,16,P1,P2,P3,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图所示,石英晶体压电模型,2023/3/6,17,P1,P2,P3,石英晶体压电模型,-,+,2023/3/6,18,P1,P2,P3,-,+,P1增大,P2、P3 减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现

6、电荷。,石英晶体压电模型,2023/3/6,19,当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。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，晶体不会产生压电效应。,石英晶体压电模型,2023/3/6,20,2、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电

7、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。,2023/3/6,21,压电陶瓷及其换能器外形,2023/3/6,22,无铅压电陶瓷及其换能器外形,2023/3/6,23,压电陶瓷极化处理后的人工多晶铁电体,2023/3/6,24,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,就有更多的电畴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的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。,压电陶瓷,2023/3/6,25,当

8、陶瓷材料（剩余极化很强）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。电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33 F 式中:d33 压电陶瓷的压电系数;F作用力。,压电陶瓷的正压电效应：,2023/3/6,26,压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以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。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅,它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系数和较高的工作

9、温度。,2023/3/6,27,3、新型压电材料压电聚合物PVDFPVDF是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏二氟乙烯。1969年由日本学者Kawai首先发现，具有很强的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。,应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测等应用，在生物医学领域广泛应用。,优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。,2023/3/6,28,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,2023/3/6,29,三、压电式传感器,1、概述 压电式传感器的基本原理是利用压电材料的压

10、电效应，即当施加力作用在压电材料上，传感器就有电荷（或电压）输出。电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量回路能量，故适于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。,2023/3/6,30,2、等效电路,压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于介质），则其电容量为：,2023/3/6,31,当受外力作用时，产生电荷Q,电荷等效：,QCaUa,电压等

11、效：,2023/3/6,32,实际使用中，还需要考虑连接电缆的等效电容Ce、放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。实际等效电路如图所示:,2023/3/6,33,3、压电元件的连接,多片压电元件的组合,单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性因素，其连接法分为串联和并联两种。,2023/3/6,34,1）串联,串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适合于电压输出、高频信号测量场合。,2）并联,并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低频信号测量场合。,20

12、23/3/6,35,4、压电元件的分类,按受力和形变方式,在测量低压力时，由于力传递系数非线性（低压力下力的损失较大）存在，导致压电式传感器线性度不好。为此，在测量时需要加入预加力预载。这样，不仅消除压力使用中的非线性外，还可消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。在测量拉力、拉压交变力及剪力和扭矩时必须给压电传感器施加预载。,5、预载,2023/3/6,36,四、测量电路,压电传感器自身内阻抗很高，且输出能量较小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。其作用为：将传感器高输出阻抗转换为低输出阻抗；放大传感器输出的微弱信号。,2023/3/6,37,1、电压放大器阻抗变换器,图中

13、R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ce+Ci，Ua=q/Ca,2023/3/6,38,当受正弦力fFmsint 作用时：,压电元件输出电压：,放大器输入端电压为：,放大器输入端电压幅值为：,2023/3/6,39,理想情况下，传感器电阻Ra和放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Ce+Ci)R1，此时输入电压幅值Uim为：,放大器输入电压Uim与频率无关。实际应用中，当/03时，就可认为以上式成立。,注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。,2023/3/6,40,2、电荷放大器,图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ca+Ce+Ci，Ua=q/Ca

14、,由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分流，故可略去R。,2023/3/6,41,根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放大器得输出电压：,通常A=104108，当有（1A）CfCa+Ce+Ci时，上式变为：,电荷放大器的输出电压Uo只与输入电荷q（成正比）和反馈电容Cf（100104pF）有关，而与电缆电容Ce无关,2023/3/6,42,石英晶体振荡器、压力传感器、超声换能器广泛用于通讯（卫星接收、对讲机、电话机等）、家电（TV/VCD/DVD等）、电脑、汽车电子、电子游戏机等领域,五、应用,2023/3/6,43,压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量,2023/3/6,4

15、4,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,2023/3/6,45,高分子压电薄膜制作的压电喇叭,2023/3/6,46,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,2023/3/6,47,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,玻璃打碎报警装置,2023/3/6,48,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。

16、并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,2023/3/6,49,压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,2023/3/6,50,交通监测,将压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）

17、及机场滑行道等。,2023/3/6,51,压电加速度传感器的安装及使用,a)双头螺丝固定 b)磁铁吸附 c)胶水粘结d)手持探针式 1压电式加速度传感器 2双头螺栓 3磁钢 4粘接剂 5顶针,2023/3/6,52,汽车爆震波形,汽车发动机中的气缸点火时刻必须十分精确。如果恰当地将点火时间提前一些，即有一个提前角，就可使汽缸中汽油与空气的混合气体得到充分燃烧，使扭矩增大，排污减少。但提前角太大时，混合气体产生自燃，就会产生冲击波，发出尖锐的金属敲击声，称为爆震，可能使火花塞、活塞环熔化损坏，使缸盖、连杆、曲轴等部件过载、变形，可用压电传感器检测并控制之。,2023/3/6,53,汽车爆震测量,

18、安装在气缸的侧壁上，尽量使点火时刻接近爆震区而不发生爆震，但又能使发动机输出尽可能大的扭矩。,2023/3/6,54,地震是引发海啸的主要原因之一。地震中断层移动导致断层间产生空洞，当海水填充这个空洞时产生巨大的海水波动。这种海水波动从深海传至浅海时，海浪陡然升到十几米高，并以每秒数百米的速度传播。海浪冲到岸上后，将造成重大破坏。海啸预警系统通过海底的振动压力传感器记录海浪变化的数据，并传送到信息浮标，由信息浮标发送到气象卫星，再从气象卫星传送到卫星地面站。,海啸预警系统,2023/3/6,55,地震波检测,2023/3/6,56,气象接收及发射天线,振动压力传感器,6000m海底,浮标,深海地沟,2023/3/6,57,本节小结：,什么是压电式传感器及其工作原理？什么是压电效应？压电材料有几类，其主要特性参数？石英晶体结构？其对应方向轴名称及特性？简述石英晶体压电模型？压电陶瓷工作原理？用压电式传感器能够测量静态和变化缓慢的信号吗？为什么压电式传感器多采用电荷放大器？压电元件的串联与并联分别适用于什么测量场合？,2023/3/6,58,结束,