【教学课件】第六章压电式传感器.ppt

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1、第六章 压电式传感器,第六章 压电式传感器,压电式传感器的原理：基于某些晶体材料的压电效应，是一种典型的有源传感器（或发电型传感器）。特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。压电效应是可逆的，因此压电式传感器是一种典型的“双向传感器”,6-1 压电效应,某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机

2、械能的现象，称为“逆压电效应”。,第六章 压电式传感器,具有压电效应的电介物质称为压电材料。具有压电效应的物质很多，如天然形成的石英晶体，人工制造的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅等。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。,第六章 压电式传感器,第六章 压电式传感器,一、石英晶体的压电效应,石英晶体有天然和人造石英单晶两种。石英晶体属六方晶系，是一个正六面体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶体学中用三根互相 垂直的轴 Z、X、Y 表示它的坐标。,第六章 压电式传感器,Z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。X 轴为电轴（

3、垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个。Y 轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。,第六章 压电式传感器,第六章 压电式传感器,（a）,（b）,（c）,第六章 压电式传感器,当石英晶体未受力作用时，正、负离子（即Si4+和2O2）正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等，互成120夹角的电偶极矩 p1、p2 和 p3。电偶极矩的矢量和等于零，即，这时晶体表面不产生电荷，石英晶体从整体上呈电中性。（见图a）,第六章 压电式传感器,当石英晶体受到沿X方向的压缩力作用时，晶体沿X方向产生压缩变

4、形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X轴方向的分量，在X轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。而在Y轴和Z轴方向的分量均为零。在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿X轴作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。（见图b）,第六章 压电式传感器,当石英晶体受到沿Y轴方向的压缩力作用时，电偶极矩在X轴方向的分量，在X轴的正方向的晶体表面上出现负电荷。（这种情况等同于沿X轴方向的拉力作用），同样在垂直于Y轴和Z轴的晶面上不出现电荷。这种沿Y轴作用力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应。”（见图c）。,第六章 压电式传

5、感器,当晶体受到沿Z轴方向的力（无论是压缩力或拉伸力）作用时，因为石英晶体在X轴方向和Y方向的变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在X、Y方向的分量等于零。所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生压电效应。当作用力Fx或Fy的方向相反时，电荷的极性随之改变。如果石英晶体的各个方向同时受到均等的作用力（如液体压力），石英晶体将保持电中性。所以石英晶体没有体积变形的压电效应。,二、压电陶瓷的压电效应,第六章 压电式传感器,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料。,它由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排列的。在无外电场作用时，从整体来看，这些电畴的

6、极化效应被互相抵消，使原始的压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。,第六章 压电式传感器,为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。,所谓极化处理，就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如2030kv/cm直流电场），经过23小时以后，压电陶瓷就具备压电性能了，这是因为陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向，这个方向就是压电陶瓷的极化方向，通常取 z 轴方向。经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。,第六章 压电式传感器,第六章 压电式传感器,超

7、声波美容仪器用压电陶瓷晶片,医用B超换能器用晶片,高分子压电薄膜,压电薄膜,聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、改性聚氯乙烯（PVC）等,第六章 压电式传感器,第六章 压电式传感器,三、压电常数和表面电荷的计算,1、石英晶体的压电常数和表面电荷的计算,从石英晶体上切一片平行六面体 晶体切片，使它的晶面分别平行于x、y、z轴。,（1）当晶片受到 x 方向压缩应力T1(N/m2)作用时，晶片将产生厚度变形，在垂直于x轴表面上产生的电荷密度1与应力T1成正比。,第六章 压电式传感器,当石英晶片在 x 轴方向施加压缩力时，产生的电荷q正比于作用力F1，与晶片的几何尺寸

8、无关，若晶片在晶轴 x 方向受到拉力（大小与压缩力相等）的作用，则仍在垂直于 x 轴表面上出现等量电荷，但极性相反。,石英晶片上电荷极性与受力方向的关系,第六章 压电式传感器,（2）当晶片受到沿 y（即机械轴）方向的应力T2作用时，在垂直于 x 轴表面出现电荷，电荷的极性如下图示。,电荷密度12与施加的应力T2成正比。,第六章 压电式传感器,（3）当石英晶体受到 z 轴（即光轴）方向应力T3作用时，无论是拉伸应力，还是压缩应力，都不会产生电荷，即：d13=0。,（4）当石英晶体分别受到剪切应力T4、T5、T6作用时，则有,（即d15=0）,（即d16=0）,以上三式中的T4、T5、T6分别为晶

9、片x面（即yz平面）、y面（即zx平面）和z面（即xy平面）上作用的剪切应力。,第六章 压电式传感器,综上所述，只有在沿x、y方向作用单向应力和晶片的x面上作用剪切应力时，才能在垂直于x轴的晶片表面上产生电荷，即,同理，通过实验可以证明，在垂直于y轴的晶片表面上，只有剪切应力T5和T6的作用才出现电荷，即,（因，d25=d14，d26=2d11）,在垂直于 z 轴向的晶片表面上，电荷密度,第六章 压电式传感器,由此可得到石英晶体在所有应力作用下的顺压电效应矩阵表达式：,压电常数矩阵是正确选择压电元件、受力状态、变形方式、能量转换率以及晶片几何切型的重要依据。,由压电常数矩阵还可以知道，压电元件

10、承受机械应力作用时，有哪几种变形方式具有能量转换作用。3）石英晶体通过dij的四种基本变形方式可将机械能转换为电能。(a)厚度变形，通过d11产生x方向的纵向压电效应；(b)长度变形，通过d12产生y方向的横向压电效应；(c)面剪切变形，晶体受剪切面与产生电荷的面共面。如：对x切晶片，当x面（即yz平面）上作用剪切应力时，通过d14在此同一面上产生电荷。对于y切晶片，通过d25可在y面（即zx平面）产生面剪切式能量转换。(d)厚度剪切变形，晶体受剪切面与产生电荷不共面，如y切晶片，当z面（即xy平面）上作用有剪切应力时，通过d26在y面（即zx平面）上产生电荷。,第六章 压电式传感器,第六章

11、压电式传感器,2、压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算,压电陶瓷的极化方向通常取 z 轴方向，在垂直于 z 轴平面上的任何直线都可取作为 x 轴或 y 轴，对于 x 轴和 y轴，其压电特性是等效的。压电常数 dij 的两个下标中的1和2可以互换，4和5也可以互换，这样在18个压电常数中，不为零的只有5个，其中独立的压电常数只有三个，即d33、d31和d15。如钛酸钡压电陶瓷，压电常数矩阵为：,钛酸钡压电陶瓷除厚度变形、长度变形和剪切变形外，还可利用体积变形获得压电效应。,石英晶体与压电陶瓷的比较,石英晶体 压电陶瓷a 单晶体 人工制造的多晶体b 极化方向：X、Y Z轴c 介电和压电常数 灵敏度高

12、的温度稳定性好,第六章 压电式传感器,压电材料的主要性能指标,压电常数衡量压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出的灵敏度 弹性常数决定着压电器件的固有频率和动态特性 介电常数影响压电器件的固有电容与频率下限绝缘电阻影响电荷泄漏和低频特性居里点压电材料开始丧失压电特性的温度,第六章 压电式传感器,一、压电元件的结构形式,第六章 压电式传感器,在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如图所示。图a为并联接法，其输出电容C 为单片的n倍，即C=nC，输出电压U=U，极板上的电荷量Q为单片电荷量的n倍，即Q=nQ。图中b为串联接法，这时有QQ，U=nU

13、，C=C/n。,6-2 压电式传感器的等效电路,在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。,a b,第六章 压电式传感器,二、压电式传感器的等效电路,第六章 压电式传感器,压电式传感器对被测量的感受程度是通过其压电元件产生电荷量大小来反映的，因此它相当于一个电荷源，而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器。,第六章 压电式传感器,因为传感器既是电荷源又是电容器，其等效电路可以认为是两者的并联。也可以等效为

14、一个电压源和一个电容串联的电路。,其开路电压：,由上图可知，只有在外电路负载Rf无穷大，而且内部无漏电时，压电传感器所产生的电荷及其形成的电压Ua才能长期保持，如果负载不是无穷大，则电路将以RfCa为时间常数按指数规律放电。,第六章 压电式传感器,利用压电式传感器进行测量时，由于它要与测量电路相连接，于是应考虑电缆电容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，从而可以得到压电传感器完整等效电路。,压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝缘电阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且要求测量电路输入端必须有足够高的阻抗和较小的分布电容，以防止电荷迅

15、速泄漏，电荷泄漏将引起测量误差。,第六章 压电式传感器,6-3 压电式传感器的测量线路,根据压电式传感器的工作原理及其等效电路，它的输出可以是电压信号也可以是电荷信号，因此设计前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；另一种是电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,第六章 压电式传感器,一、电压放大器,左图为电压放大器电路简化等效电路图，图中,；,如果压电元件受作用力的为交变力 FFm Sint Fm 作用力幅值。则产生的电荷与电压均按正弦规律变化（压电元件是压电陶瓷在其电轴上作用交变力）,Qd33F；d33压电系数。,则压电元件上产生的电压值

16、：,第六章 压电式传感器,根据上面的电路，可得到前置放大器的输入电压Vsr，写成复数形式：,则前置放大器输入电压的幅值Vsrm为：,输入电压与作用力之间相位差为：,传感器的电压灵敏度：,第六章 压电式传感器,结论：（1）当0（作用在压电元件上的力是静态力），则放大器输入电压等于零，这意味着电荷被泄漏，从原理上这时压电传感器不能测静态量；（2）当，可近似看作放大器输入电压与作用力的频率无关，（被测物理量变化频率越高越能满足上述条件），可见压电式传感器高频响应非常好。（3）为扩大低频响应范围，必须尽量提高回路的时间常数，但不能提高电容，否则电压灵敏度会下降，因此只能提高电阻。主要取决于前置放大器的

17、输入电阻，放大器输入电阻越大，测量回路的时间常数越大，传感器的低频响应越好。电压放大器电路简单，元器件少、价格便宜、工作可靠，但电缆长度不能长，增加电缆长度会降低传感器的电压灵敏度，而且不能随便更换出厂时规定的电缆，一旦更换电缆，必须重新校正灵敏度，否则将引起测量误差。,第六章 压电式传感器,第六章 压电式传感器,二、电荷放大器,用电压放大器作为前置变换电路使得输出USC不仅与电荷量有关，还与连接电缆等分布参数如CC有关，所以系统的互换性不好，采用电荷放大器就可以较好地解决这个问题。,电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器。,当放大器开环增益和输入电阻、反馈电阻相当大时，放大器

18、的输出电压Vsc正比于输入电荷Q。,第六章 压电式传感器,基本电路（A无限大、Ri无限大的理想放大器）,分压,系统的实际等效电路分析（A有限大、C=Cc+Ca+Ci）,A为运放的开环增益，一般为104106。结果与C无关。,第六章 压电式传感器,式中 Ca传感器压电元件 的电容；Cc电缆电容 Ci放大器输入电容 Cf放大器反馈电容 k放大器的开环增益,第六章 压电式传感器,当k足够大，则：,则：,电荷放大器的输出电压仅与电荷量和反馈电容有关，只要保持反馈电容的数值不变，输入电压就正比于输入电荷量，且当（1+K）Cf 10（Ca+Cc+Ci）以上时，可认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆和

19、使用较长电缆（数百米）时，无需重新校正传感器灵敏度。Rf（约10101014）提供直流反馈；电荷放大器的时间常数RfCf相当大（105S以上），下限截止频率fL=1/(2RfCf)，低达310-6Hz，上限频率高达100KHz，输入阻抗大于1012，输出阻抗小于100。压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应比配用电压放大器要好得多，可对准静态的物理量进行有效的测量。,第六章 压电式传感器,电荷放大器的实际电路举例 设计电荷放大器时，为了基本满足Ri近似无限大的条件，所选运算放大器的输入阻抗应大于1010，至少不应小于109；开环增益一般应达到90dB。本例中200M和Rf 电阻是为了防止放大器

20、饱和而加入的，22K电阻可以在一定程度上实现对输入端的保护作用。,第六章 压电式传感器,6-4 压电式传感器的应用,一、压电式加速度传感器,通过压电元件与质量块的结合，可以构成压电式加速度传感器，压电式加速度传感器常见的结构型式有基于压电元件厚度变形的压缩型和基于剪切变形的剪切型。,第六章 压电式传感器,（c）梁式,（a）单端中心压缩式,（b）挑担式,1 惯性质量块2 双压电晶片3 引线4 底座,第六章 压电式传感器,灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5-8000Hz（10%)分辨率：0.0002g 线性：1%横向灵敏度：5%典型值：3%温度范围：-40+120用途：模态试验

21、,LC0101,第六章 压电式传感器,LC0106,灵敏度：1000mV/g 量程：5g 频率范围：0.04-1500Hz（10%)分辨率：0.00002g 重量：200gm 安装螺纹：M5 mm 线性：1%横向灵敏度：5%典型值：3%温度范围：-40+120 用途：超低频、小g测量,第六章 压电式传感器,二、压电式力和压力传感器,按用途和压电元件的组成可分为单向力、双向力和三向力传感器。,左图是压电式压力传感器的结构图，它主要由石英晶片、膜片、薄壁管、外壳等组成。石英晶片由多片叠堆放在薄壁管内，并由拉紧的薄壁管对石英晶片施加预载力。感受外部压力的是位于外壳和薄壁管之间的膜片，它由挠性很好的材

22、料制成。,第六章 压电式传感器,ULT25系列 压电石英力传感器,ULT25系列产品可用于测量动态、短期静态的振动和冲击力，机械结构的拉伸和压缩力。与激振器配合，能够测量和控制激振力。与加速度、速度传感器配合，可测量机械阻抗。,ULT0501 ULT0502 ULT0503,压电式脚踏报警器,第六章 压电式传感器,第六章 压电式传感器,三、压电式超声波传感器,超声波传感器（又称超声波探头），按其作用原理分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中以压电式为最常用。压电式超声波探头是利用压电元件的逆压电效应，将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波（发射探头）。利用正压电效应将接收的超声波振动转换成电信号（接收探头）。由此构成的超声波传感器可以测量厚度、液位、流量等。(后面第九章会讲到),玻璃打碎报警装置,第六章 压电式传感器,交通监测,第六章 压电式传感器,海啸预警系统,第六章 压电式传感器,