传感器ppt课件6章压电式传感器.ppt

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1、2021/2/11,1,第六章 压电式传感器,2021/2/11,2,6.1 压电效应及材料,6.1.1 压电效应 在离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力而产生形变时,就会引起它内部的正负电荷中心相对转移而产生电的极化,从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q且其电荷密度与外应力张量T成正比:,当外力消失,又恢复不带电状态;当外力方向改变,电荷极性随之改变。这种现象称为正压电效应，简称压电效应。,2021/2/11,3,逆压电效应 若对上述电介质施加电场作用时,同样会引起它内部的正负电荷中心相对转移而导致电介质产生形变,且其应变S与外电场强度E成正比:,这种现象称为逆压电

2、效应,或称电致伸缩。可见,具有压电特性的电介质(压电材料)能实现机电能量的相互转换,2021/2/11,4,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,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。,2021/2/11,5,6.1.2 压电材料,主要特性参数:压电常数:衡量材料压电效应强弱的参数,影响压电输出的灵敏度;弹性常数：刚度决定压电器件的固有频率和动态特性介电常数：决定压电器件的固有电容,固有电容影响压电传感器的频率下限（C越大，频率下限就越低）。机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换效率。是转换输出能量（如电能）与输入能

3、量（如机械能）之比的平方根。电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的低频特性。居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度。即工作温度上限。,2021/2/11,6,6.1.2.1压电晶体,单晶体结构:SiO2。正六面体。各向异性:,1 石英晶体,由晶体学可知,无对称中心的晶体,通常具有压电效应。,纵轴z:光轴,沿z轴方向的作用力不产生压电效应。电轴:x轴,电轴，垂直于此轴的面上压电效应明显。纵向压电效应。机械轴：y轴，切割方向，电场作用下沿该轴方向的机械变形最明显。横向压电效应。,2021/2/11,7,石英晶体压电模型,外力0:正负离子分布在正六边形顶角上,形成三个互成120夹角

4、的电偶极距P1,P2，P3。P=ql，l是正负电荷之间的距离。此时正负电荷重心重合，矢量和P1+P2+P3=0。晶体表面不产生电荷，呈中性。,2021/2/11,8,Fx拉力（Fy 压力）:晶体沿x方向压缩变形,正负离子相对位置变动。正负电荷重心不再重合,P1减小，P2，P3增加，使电偶极距在x方向上的分量不等于零，在x轴正方向出现负电荷;电偶极距在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。Fx压力（Fy 拉力）:晶体沿y方向压缩变形，P1增大，P2，P3减小。电偶极距x方向上的分量不等于零，x轴正方向出现正电荷;电偶极距在y方向上分量仍为零，不出现电荷。Fz0：晶体在x,y方向产生的形变完全相同，正

5、负电荷重心重合，电偶极距矢量和等于零，晶体不会产生压电效应。,2021/2/11,9,石英晶体,天然形成的石英晶体外形,2021/2/11,10,天然形成的石英晶体外形（续）,2021/2/11,11,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,2021/2/11,12,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时,压电效应与逆压电效应交替作用,从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,2021/2/11,13,2.其它压电单晶 锂盐类压电和铁电单晶材料。时间稳定性好,居里点温度高达1200C,在高温、强辐射条件下仍具有良好的压电效应，且机械性能好，同时具有光电、声光效应。不足之处是质地

6、脆，抗机械和热冲击性差。,2021/2/11,14,6.1.2.2 压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它比石英晶体的压电灵敏度高得多,而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。,2021/2/11,15,压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”,它是由无数细微的单晶组成;所谓“铁电体”,它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使

7、原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性(如图6.4所示)。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列如图6.4(中);极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性如图6.4(右)。,1.压电陶瓷的极化处理,2021/2/11,16,2.常用压电陶瓷(书P138表61)压电陶瓷外形,2021/2/11,17,无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）,2021/2/11,18,6.1.2.3 新型压电材料,1、压电半导体 硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(Zno)、硫化镉(CdS)、

8、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。显著特点:具有压电效应,又有半导体特性,可同时利用将两者结合，集元件与电路于一体，形成新型集成压电传感器系统。,2.有机高分子压电材料,聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。是一种柔软的压电材料,可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎,具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽。,2021/2/11,19,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,2021/2/11,20,高分子压电薄膜及拉制,2021/2/11,21,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,2021/

9、2/11,22,压电式脚踏报警器,2021/2/11,23,6.2.2 压电方程及压电常数矩阵（略）书P141图6-7,2021/2/11,24,6.3 等效电路及测量电路,6.3.1.等效电路 相对介电常数为r,极化面积为A,厚度为t的压电片的两电极出现等量异号的电荷，中间为绝缘体，可视为一个自源电容器:,(a)当需要压电器件输出电压时,可等效为与电容串联的电压源,开路状态输出电压及电压灵敏度为:,2021/2/11,25,(b)当需要压电器件输出电荷时,可等效为与电容并联的电荷源,开路状态输出电荷及电荷灵敏度为:,Ku与Kq之间存在如下关系:,以上为理想等效电路,只有在压电器件本身理想绝缘

10、、无泄漏、输出端开路条件下成立。,2021/2/11,26,实际等效电路,考虑连接电缆分布电容Cc,放大器输入电阻Ri 和电容Ci,压电传感器泄露电阻Ra的影响。,图6.9压电传感器等效电路和测量电路(a)电压源;(b)电荷源,2021/2/11,27,6.3.2 测量电路,测量电路的主要作用:压电传感器内阻较高,输出能量较小,测量电路需要高输入阻抗前置放大器。阻抗匹配:将高输出阻抗变换为低输出阻抗;信号放大：放大传感器输出的微弱信号（电压、电荷）。常用的测量电路形式：前置放大器：电压放大器、电荷放大器,2021/2/11,28,6.3.2.1 电压放大器（阻抗变换器）,压电器件的输出电压为:

11、,1.压电输出特性,2021/2/11,29,故回路输出电压及灵敏度为:,回路输出电压:,灵敏度的幅值和相位为:,2021/2/11,30,理想情况下,2.动态特性,输出电压灵敏度:,2021/2/11,31,从图中分析:(1)高频特性 当 1时,即当回路时间常数一定时,被测量频率越高，输出电压灵敏度越接近理想状态。表明器件高频响应特性好。,（2）低频特性当 1时,即当回路时间常数一定时,被测量频率越低，输出电压灵敏度越偏离理想状态。动态误差=(k-1)*100%越大。相位角误差也大。为保证低频工作时满足一定的精度，必须增加时间常数RC。途径一:增大C，但Kum将减小，不可取;途径二:增大R=

12、RaRi/(Ra+Ri)，即要求放大器的输入电阻Ri足够大。,2021/2/11,32,设计和使用时应注意:(1)特性曲线显示了被测角频率(=2f)、放大器输入电阻Ri和动态误差或相位角误差之间的关系。因此在设计和应用压电传感器时,可根据给定的精度,合理选择Ri和f。(2)由于采用电压放大器的压电传感器，其输出电压受电缆分布电容Cc的影响。压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将偏离原标定的灵敏度，引入测量误差。解决办法:将放大器放入传感器中。电压放大器电路简单、成本低、工作可靠。但不能用于静态测量。,2021/2/11,33,1.工作原理和输出特性 电荷放大器将压电器件高内阻的

13、电荷源转换为传感器低内阻的电压源,以实现阻抗匹配,并使输出电压正比于输入电荷。且传感器的灵敏度不受电缆变化影响。输入阻抗10101012欧，输出阻抗小于100欧。优点:在一定条件下，传感器灵敏度与电缆长度无关。电荷放大器实际是具有深度负反馈的高增益放大器，等效电路如下页图。反馈电容Cf、高增益运算放大器A，开环增益足够大，运放输入端电流几乎为零，则推导得:,6.3.2.2 电荷放大器,2021/2/11,34,结论:电路线性好,电缆对性能无影响,反馈电容Cf、高增益运算放大器A,开环增益足够大,运放输入端电流几乎为零，则推导得:,2021/2/11,35,高低频限高频上限:,低频下限:,202

14、1/2/11,36,四通道电荷放大器外形,.,2021/2/11,37,上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,灵 敏 度:0.11000mV/pC频率范围:0.3100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5V准 确 度：1%最大输出：10V/10mA电源：220V/50Hz 控制方式：计算机或手动,2021/2/11,38,超小型电荷放大器模块,主要指标:灵 敏 度:1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围:0.3100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归 一 化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：6V15V

15、 特点：可组成经济的多点测试系统,2021/2/11,39,其他电荷放大器外形,面板式电荷放大器,2021/2/11,40,其他电荷放大器外形（续）,2021/2/11,41,6.4 压电式传感器及其应用,凡是利用压电材料的各种物理效应构成的传感器均称为压电传感器;力电转换的变形方式(P148表65),受力及变形方式常用:厚度变形的压缩式、剪切变形的剪切式,2021/2/11,42,多片压电材料的连接(a)并联,U不变,2Q 常用并联;(b)串联，Q不变，2U,2.压电元件的结构和组合形式,压电传感器在压力较低时线性度不好,因此加入预加力,称预载，消除非线性，同时提高刚度。只有加预载才能测量拉

16、力、交变力、剪力、扭矩。,2021/2/11,43,表66 压电片串并联组合的特点,2021/2/11,44,压电传感器的应用,一、高分子压电材料的应用,1.玻璃打碎报警装置 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,2021/2/11,45,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。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

17、生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,2021/2/11,46,2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。,2021/2/11,47,3.交通监测,将高分子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）及机场滑行道等。,2021/2/11,48,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米,平行埋设于柏油公路的路面下约5cm,可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,2021/2/11,49,压电(陶瓷)式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量,2021/2/11,50,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,2021/2/11,51,6.5 影响压电传感器工作性能的主要因素 6.5.1 横向灵敏度 6.5.2 环境温度和湿度 6.5.3 安装差异及基座应变 6.5.4 噪声,