【教学课件】第6章压电式传感器.ppt

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1、,第6章 压电式传感器,一种典型的有源传感器（或称发电型传感器）基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生，实现非电量测量。,例如：石英晶体、单晶硅、压电陶瓷等,压电式传感器-工作原理,压电传感器是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。,压电式传感器应用,可测与力相关的物理量 如各种动态力、机械冲击与振动测量等。应用广泛在声学、生物医学、力学、宇航、石油勘探、声波测井等方面。,优点：体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度高、信噪比大等。缺点：无静态输出，要求有很高的电输出阻抗；需用低电容的低噪声电缆。,压电式传感器特点,压电陶瓷超声换

2、能器,压电加速度计,典型应用,压电陶瓷位移器,压电秤重浮游计,压电警号,典型应用,6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路6.3 压电式传感器的应用,第6章 压电式传感器,压电效应-定义,某些电介质（晶体），当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便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，这种现象称压电效应。,压电效应-分类,正压电效应：当作用力方向改变时，电荷的极性也随之 改变，常把这种机械能转换为电能的现象 称正压电效应（或顺压电效应）。,逆压电效应：当在电介质极化方向上施加电场，这些 电介质也会在产生几何变形，当外加电场

3、 撤去时，这些变形也随之消失，这种将电 能转化成机械能的现象称逆压电效应（或 称电致伸缩效应）。,压电效应具有可逆性，利用这一特性可以实现机械能和电能 的相互转换。,压电效应-特性,压电晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；新型压电材料：压电半导体(如硫化锌、碲化镉等)高分子压电材料。,自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压电效应十分微弱,压电材料-分类,具有压电效应的材料称为压电材料。,压电常数 衡量材料压电效应强弱的参数,直接关系到压电输出灵敏度.弹性常数 与刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。介电常数 一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关 而且还影响压电传感器

4、的频率下限。,压电材料-特性参数,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 即转换输出能量与输入的能量之比的平方根。电阻 减少电荷泄漏，改善压电传感器的低频特性。居里点温度 压电材料开始丧失压电特性的温度。,压电材料-特性参数,选取合适的压电材料是压电传感器的关键，从以下几个主要特性进行选择：,压电材料-特性参数,转换性能 要求具有较大的压电常数。机械性能 压电元件作为受力元件，希望其机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。电性能 希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容 的影响并获得良好的低频特性。环境适应性 温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里

5、点，获得 较宽的工作温度范围。时间稳定性 要求压电性能不随时间变化。,6.1 压电效应及压电材料,6.1.1 石英晶体6.1.2 压电陶瓷6.1.3 压电式传感器,6.1.1 石英晶体,（1）石英晶体外形结构（2）石英晶体压电效应分析（3）作用力与电荷的关系（4）石英晶体产生压电效应的微观机理,石英晶体化学式：SiO2 单晶体结构 又称水晶体（或单晶体）,（1）石英晶体外形结构,人工合成水晶,天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体且晶体各个方向的特性不同,石英晶体各个方向特性不同（即各向异性）按不同方向切割的晶片其物理性质(如弹性、压电效应温度特性等)相差很大。在设计石英传感器时应根据不同使

6、用要求正确选择石英片的切型,按特定方向切片,压电晶片,（1）石英晶体外形结构,z轴：光轴，它与晶体的纵轴线方向一致，又叫中性轴 因为沿着z轴方向受力时不产生压电效应。x轴：电轴，经过正六面体棱线并垂直于光轴z，在垂直 于此轴面上的压电效应最强。y轴：机械轴，垂直于两个相对的晶柱棱面。,晶体学中，常用三根互相垂直的轴表示,（1）石英晶体外形结构,（2）石英晶体压电效应,假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片使它的晶面分别平行于x、y、z轴并在垂直x轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。,（2）石英晶体压电效应,纵向压电效应 沿电轴x方向的力作用下 产生电荷的压电效应；横向压电效应 沿机械轴

7、y方向的力作用下 产生电荷的压电效应；沿光轴z方向的力作用时，不产生压电效应。,（3）作用力与电荷的关系,压电系数d的物理意义：在短路条件下，单位应力所产生的电荷密度 当受力方向和变形不同时，压电系数也不同,压电效应，某些材料，如石英晶体和钛酸钡陶瓷，在某一方向受力时，其表面产生电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即,d：压电系数F：施加力的大小,不同的材料虽然压电机理不同但最终产生的效应是等同的。,（a）当沿电轴x方向施加作用力Fx时在与电轴x垂直的 平面上将产生符号电荷，大小为:,产生的电荷与几何尺寸无关压电效应为纵向压电效应,（3）作用力与电荷的关系,纵向压电效应,（a）当晶片受到沿x轴方

8、向的压缩应力x作用时，晶片 将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹 性范围内，极化强度P11与应力x成正比，即,a、c石英晶片的长度和宽度 qx垂直于x轴平面上的电荷,电极面间电容,极间电压,极化强度P11在数值上等于晶面上的电荷密度,整理，得,纵向压电效应,（b）若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为,d12 y轴方向受力的压电系数 根据石英晶体的对称性,d12=-d11a、b晶体切片的长度和厚度,产生的电荷与几何尺寸有关产生横向压电效应,（3）作用力与电荷的关系,横向压电效应,a、b晶体切片的长度和厚度,极间电压,（b）当晶片受到

9、沿y轴方向的压缩应力y作用时，仍在 与电轴x垂直的平面上将产生电荷，极化强度P12与 应力y成正比，即,极化强度P12在数值上等于晶面上的电荷密度,整理，得,横向压电效应,第6章 压电式传感器,一种典型的有源传感器（或称发电型传感器）基于某些介质材料的压电效应，当材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生，实现非电量测量。,压电式传感器-工作原理,石英晶体压电效应,纵向压电效应 沿电轴x方向的力作用下 产生电荷的压电效应；横向压电效应 沿机械轴y方向的力作用下 产生电荷的压电效应；沿光轴z方向的力作用时，不产生压电效应。,（3）作用力与电荷的关系,压电效应，某些材料，如石英晶体和钛酸钡陶瓷，在某一

10、方向受力时，其表面产生电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即,d：压电系数F：施加力的大小,产生的电荷与几何尺寸无关压电效应为纵向压电效应,产生的电荷与几何尺寸有关产生横向压电效应,石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为图(b)一个正六边形排列。,（4）石英晶体产生压电效应的微观机理,（I）石英晶体沿x方向受力（II）石英晶体沿y方向受力（III）石英晶体沿z方向受力,（4）石英晶体产生压电效应的微观机理,P1+P2+P3=0,晶体表面不产生电荷，呈电中性,（a）当未受力,即Fx=0时，正、负离子（即Si+4

11、和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120o 夹角的偶极矩P1、P2、P3。此时正负电荷中心重合 电偶极矩的矢量和等于零，即,（a）不受力即Fx=0,P=ql（q为电荷量，l为正负电荷之间距离）,（I）石英晶体沿x方向受力,（b）当晶体受沿x方向的压力（Fx 0）作用时,晶体沿x 方向将产生收缩,正、负离子相对位置随之发生变化 此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小、P2、P3增大,它们在x方向上的分量不再等于零,即,在x轴的正方向出现负电荷，在y、z轴方向则不出现电荷,(P1+P2+P3)x 0,（b）Fx 0,（I）石英晶体沿x方向受力,（c）当晶体受到沿x方向的拉力（

12、Fx0）作用时,电偶 极矩P1增大、P2、P3减小,此时电极矩三个分量为,在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向上依然不出现电荷,（c）Fx0,（I）石英晶体沿x方向受力,当晶体受到沿x(即电轴)方向的力Fx作用时 在x方向产生正压电效应 而y、z方向则不产生压电效应,（I）石英晶体沿x方向受力,晶体在y（即机械轴）方向的力Fy作用下 在x方向产生正压电效应，在y、z方向则不产生压电效应,晶体在y 轴方向力Fy时作用下的情况与Fx相似,（b）Fx 0,（c）Fx0,当Fy0（压力），则与（c）相似,当Fy 0（拉力），晶体的形变与（b）相似,（II）石英晶体沿y方向受力,晶体在z轴方向力Fz时的

13、作用下（无电压效应）,晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同 正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零表明在沿z(即光轴)方向的力Fz作用下,晶体不产生压电效应,（III）石英晶体沿z方向受力,结论：当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx 成正比，而与晶片的尺寸无关；沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷与 几何尺寸有关；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上 一定存在逆压电效应；,无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与 电荷之间皆呈线性关系。,6.1.1 石英晶体,6.1.2 压电陶瓷,（1）压电陶瓷的极化现象（2）压电

14、陶瓷的压电效应（3）压电陶瓷力与电荷的关系（4）压电陶瓷材料,压电陶瓷：属于铁电体一类的物质,是人工制造的多晶体压 电材料,具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构 电畴:分子自发形成的区域,有一定的极化方向,从而存电场,未加电场,（1）压电陶瓷的极化现象,原始的压电陶瓷内呈中性 不具有压电性质。,在无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。,加电场,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。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。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度，即极化方向都整齐地与外电场方向一致，当外

15、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。,（1）压电陶瓷的极化,压电陶瓷极化后 具有压电特性 未极化时是非压电体,（1）压电陶瓷的极化,（2）压电陶瓷-压电效应,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时,无法测出陶瓷片内部存在的极化强度陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来,即在陶瓷两端分别出现正、负束缚电荷,由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷（束缚电荷符号相反而数量相等）,起屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。,电压表不能测出陶瓷片内的极化程度,若在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变（虚线），片内的正、负束缚

16、电荷之间的距离，极化强度原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状（膨胀过程），片内的正、负电荷之间的距离，极化强度 电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。,实线-形变前的情况，虚线-形变后的情况,机械效应电效应或者机械能电能的现象就是正压电效应,（2）压电陶瓷-正压电效应,若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，由于电场的方向与极化强度的方向相同电场的作用使极化强度，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离，即陶瓷片沿极化方向产生伸长变化（虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。,实线-形变前的情况，虚线-形变后

17、的情况,电效应机械效应或者电能机械能的现象就是逆压电效应,（2）压电陶瓷-逆压电效应,（3）压电陶瓷力与电荷的关系,d33 压电陶瓷的压电系数 F作用力,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：,d33 d11、d12 压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高,1、钛酸钡压电陶瓷 具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英 晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,2、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300 以上各项机电参数受温度影响小，时间

18、稳定性好。是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,（4）压电陶瓷材料,（4）压电陶瓷材料,4、压电半导体材料 如ZnO、CdS、CdTe,具有灵敏度高，响应时间短等优点,3、压电聚合物 不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。,（1）基本原理和适用范围（2）压电元件的连接方式（3）压电元件的变形方式,6.1.3 压电式传感器,(a)不适用于静态测量(b)适用于动态测量,压电式传感器基本原理：利用压电材料的压电效应特性即当有力作用在压电材料上时传感器就有电荷(或电压)输出,（1）基本原理和适用范围,由于外力作用而在压电材料上产生

19、的电荷只有在 无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有 无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此 压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷不断补充，供给 测量回路一定的电流，故适用于动态测量。,由于单片压电元件产生的电荷量甚微，制作压电传感器时，为了提高其输出灵敏度，通常采用增加压电片的数目和适当的连接方式。,（2）压电元件的连接方式,两个压电片的负端粘结在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。,（2）压电元件-并联方式,特点：输出电荷大、时间常数大 适宜测慢速信号以电荷为输出的场合,两压电片不同极性端粘结在一起，中间粘接处正负电荷中和，上、下

20、极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了2倍，即,特点：输出电压大、时间常数小 适宜以电压为输出信号输入阻抗很高的场合,（3）压电元件串联方式,压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，分为：厚度变形（TE）长度变形（LE）体积变形（VE）面切变形（FS）厚度剪切变形（TS）,（4）压电元件的变形方式,（a）厚度变形（TE）,（b）长度变形（LE）,利用石英晶体的横向压电效应表面电荷为,（4）压电元件的变形方式,利用石英晶体的纵向压电效应产生的表面电荷为,（c）体积变形（VE）,它不是基本变形方式而是拉、压、切应力共同作用的结果根据具体情况选择合适的压电常数。,（

21、4）压电元件的变形方式,（d）面切变形（FS）,x 切晶片,y 切晶片,（e）厚度剪切变形（TS）,y 切晶片,（4）压电元件的变形方式,压电式传感器在测量低压力时线性度不好,传递损失较大,主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致采取的措施：为使压电片电荷与力之间呈线性关系 在力传递系统中加入预加力，称预载。（1）消除低压力中的非线性（2）消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度（3）只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力 和拉交变力、压交变力及剪力和扭矩,注意：,6.1.3 压电式传感器,【例1】有一压电晶体，其面积S=3cm2，厚度t=0.3mm，在零度x切型纵向石英晶体压电系数d11=

22、2.31x10-12C/N。求:受到压力p=10MPa作用时产生的电荷q及输出电压Uo,例2：某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度 t=0.2mm,圆片半径r=1cm,r=4.5，x切型d11=2.3lx10-12C/N 当0.1MPa压力垂直作用于px平面时 求：传感器输出电荷q和电极间电压Ux的值。,6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.2.1 压电式传感器的等效电路 6.2.2 压电式传感器的测量电路6.3 压电式传感器的应用,第6章 压电式传感器,当压电晶体在外力作用下，其两个极面上将出现极性相反电量相等的电荷压电传感器可以看作电荷发生器,图(a),1

23、、压电式传感器的等效原理,同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正、负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,图(b),当两极板聚集异性电荷时,则两极板呈现一定的电压,大小为,1、压电式传感器的等效原理,A、d-压电片的面积、厚度 0(=1/3.6)、r-真空、压电材料的相对介电常数,电容量,（a）等效电压源,2、压电式传感器的等效电路,一个与电容相串联的电压源,（b）等效电荷源,一个与电容相并联电荷源,电压灵敏度,电荷灵敏度,两者的关系,只有当压电传感器内部信号电荷无漏损或外接电路负载RL无穷大时,压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存,否则电路将以某时间常数按指数规律

24、放电对于静态、低频测量极为不利,必然带来误差只有外力不断以较高频率作用,传感器的电荷才能得以补充,压电晶体不适合于静态测量在实际使用时压电传感器总要与测量仪器或测量电路 相连接，需考虑压电传感器的泄漏电阻、连接电缆的 等效电容、前置放大器的输入电阻和输入电容等,注意：压电晶体不适合于静态测量,2、压电式传感器的等效电路,6.2.2 压电式传感器的测量电路,1、压电式传感器前置放大器的作用2、前置放大器的形式3、电压放大器（阻抗变换器）4、电荷放大器,传感器的内阻很大,而输出信号较小,一般不能直接取用需要接入高输入阻抗的前置放大器,1、压电式传感器前置放大器的作用,前置放大器的作用（1）将传感器

25、的高输出阻抗变换为放大器的低输出阻抗（2）放大传感器输出的微弱信号,根据压电传感器等效电路可知，传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号有相应两种形式（1）电压放大器：也称作阻抗变换器，其输出电压 与输入电压（传感器的输出电压）成正比（2）电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比,2、前置放大器的形式,（1）电路原理图,3、电压放大器（阻抗变换器）,等效电阻,等效电容,传感器的泄漏电阻Re；连接电缆的等效电容Ce；前置放大器的输入电阻Ri；输入电容Ci,电容器上的电压 ua=q/Ca,f=Fmsint（Fm为幅值）,如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化，产生的电荷与电压也按正弦变化，即,（1）

26、电路原理图,Um=dFm/Ca 压电元件输出电压幅值 d压电系数,3、电压放大器,（2）放大器输入端的电压Ui 分析,理想情况下，传感器的电阻值Re与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Ce+Ci)R1，则输入电压幅值Uim,输入电压和作用力之间相位差为,（2）放大器输入端的电压Ui 分析,表明前置放大器输入电压Uim与频率无关,结论：,理想情况下，输入电压幅值,（a）当/03时，Uim与F的无关，高频响应特性较好,（c）当(Ca+Ce+Ci)R1，改变压电传感器的引线电缆 长度时，其电缆电容Ce的变化将引起放大器Uim的变 化测量中通常电缆长度需固定(Ce=常数)，否则将 引入测量误

27、差,3、电压放大器（阻抗变换器）,（d）电压灵敏度Ku,（b）当为静态力时(=0)时，前置放大器的输出电压=0 所以压电传感器不能测量静态物理量,即Ku与回路电容大小成反比关系,增加回路电容必然使Ku 提高低频响应的办法是使放大器的内阻Ri（C）,则满足(Ca+Ce+Ci)R 1的条件，并且使传感器有较好的低频响应，从而提高了灵敏度。,注意：从Ku可见，连接电缆的分布电容Ce影响Ku，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。,（d）电压灵敏度Ku,3、电压放大器（阻抗变换器）,为解决电缆分布电容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

28、器。,4、电荷放大器工作原理,电荷放大器具有深度负反馈的高增益放大器，常作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A构成。,由于放大器的开环增益A足够大，并且输入端阻抗很高，放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路Cf。,输入到放大器的电荷量为,放大器输入电荷,4、电荷放大器-输出uo分析,而反馈电容Cf上的电荷,有,当A1，而(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式简化为,q：传感器电荷,整理,得放大器的输出电压,4、电荷放大器-输出uo分析,(a)当A足够大时，输出电压与A无关，电荷放大器的输出 电压uo取决于传感器产生的电荷量q及反馈电容Cf，与 电缆电容Cc无

29、关，改变Cf的大小便可得到所需的电压 输出（Cf=100104pF；）,(b)传感器本身的电容Ca和电缆电容Cc将不影响电荷放大器 的输出，故电缆引线长度变化不会带来测量误差,输出电压uo,4、电荷放大器-输出uo分析,使用电压放大器时，测量系统对电缆电容的变化很敏感，连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出；使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响几乎可忽略不计。但与电压放大器相比，电荷放大器价格要高很多，电路也较复杂，调整起来也较困难。,电压放大器和电荷放大器的主要区别：,6.2.2 压电式传感器的测量电路,【例】如图所示电荷前置放大器电路。已知Ca=100pFRa=，CF=10pF。若考虑引

30、线Cc的影响，当A0104时要求输出信号衰减小于1。求：使用90pF/m的电缆其最大允许长度为多少?,6.3.1 压电式测力传感器6.3.2 压电式加速度传感器6.3.3 压电式金属加工切削力测量6.3.4 压电式玻璃破碎报警器6.3.5 自来水管道测漏中的应用6.3.6 集成压电式传感器,6.3 压电式传感器的应用,图6-11 压力式单向测力传感器结构图,6.3.1 压电式测力传感器,工作原理：传感器上盖为传力元件，当外力作用时，将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。,两片石英晶体采用并联方式，一端接两压电片中间金属片另一端直接与上盖相接，利用纵向压电效应，实现力电转换，电信号通过接头输出，

31、可测动态力,注意：上盖与石英晶体 间应有一定的预压力,6.3.2 压电式加速度传感器,整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定,压电元件和质量块为环型，通过螺栓对质量块预先加载,使之压紧在压电元件上。测量时将传感器基座与被测对象紧固在一起。输出信号由电极引出。,结构：纵向（如图）横向 剪切效应型,工作原理：当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律此惯性力是加速度的函数，即 F=ma,电荷与加速度a成正比，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小,6.3.2 压电式加速度传感器,图6-13 压电式刀具切削力测量示意图,工作原理：压电传感器位于车刀前部

32、的下方,当进行切削加工时,切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便可测得切削力的变化,6.3.3 压电式金属加工切削力测量,压电陶瓷元件的自振频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷,BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器,利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。,6.3.4 压电式玻璃破碎报警器,使用时传感器用胶粘贴在玻璃上,通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,需经带通滤波器使玻璃振动频率范围内的输出电压

33、信号通过,其它频段信号滤除,应用：文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合,6.3.4 压电式玻璃破碎报警器,图6-15 压电式玻璃破碎报警器电路框图,只有当传感器输出信号高于设定的阈值时 输出报警信号,驱动报警机构工作。如进行声光报警,6.3.5 压电式传感器在自来水管道测漏中的应用,若地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点,振动声音从O点向管道两端传播,传播速度为v,在管道上A、B两点放2只传感器,距离为L(已知或可测)，从2个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA(=LA/v)和tB(=LB/v),时间差为 t=tA-tB=(LA-LB)/v（1）L=LA+L

34、B（2）,检测原理,因为管道埋设在地下,看不到O点，LA和LB的长度未知，L和v已知如果能设法求出t，就可准确确定漏点O（1）+（2）得：LA=(L+t v)/2（3）（1）-（2）得：LB=（L-t v）/2（4）,如果从O点出发的是一极短暂的脉冲,在A、B两点用双线扫描同时开始记录,在示波器上两脉冲到达的时间差就是t。由于漏水声连续不断发出,在A、B两传感器测得的是一片连续不断,幅度杂乱变化的噪声。只要将这两路表面杂乱无章的信号找出规律来，把它们“对齐”，对齐移动所需要的时间就是t。,6.3.5 压电式传感器在自来水管道测漏中的应用,检测原理,水漏探测仪设计,属于一种高性能、低成本动态微压

35、传感器,采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。,6.3.6 集成压电式传感器,特点：灵敏度高 抗过载及冲击能力强 抗干扰性好 操作简便 体积小 重量轻 成本低等,脉搏计,典型应用 脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等,6.3.6 集成压电式传感器,压力变送器,加速度计,力传感器,典型应用,案例：飞机模态分析,一种典型的有源传感器（或称发电型传感器）以某些介质材料的压电效应为基础，当材料受外力作用而变形时，其电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。,小 结,例如：

36、石英晶体、单晶硅、压电陶瓷等,压电传感器的工作原理,压电效应的定义,某些电介质（晶体），当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便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，这种现象称压电效应。,压电效应是可逆的压电元件可以将机械能电能 也可以将电能机械能,压电效应的特性,x轴-电轴，沿此方向的作用力产生电荷的纵向压电效应y轴-机械轴，沿此方向的作用力产生电荷的横向压电效应z轴-光轴，沿此方向的作用力不产生压电效应,石英晶体的表示方法,晶体学中，常用三根互相垂直的轴表示,结论：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与 电荷（或电场强度）之间呈线

37、性关系晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上 一定存在逆压电效应 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的,石英晶体-力与电荷的关系,压电元件受力后，表面电荷q与外力F 成正比关系：,q=d F,压电陶瓷的极化,正压电效应：机械效应电效应或者机械能电能的现象,压电陶瓷,逆压电效应：电效应机械效应或者电能机械能的现象,晶体极化后，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：,d33 d11、d12 压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高,(a)不适用于静态测量 由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在 无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有 无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此

38、 压电式传感器不能用于静态测量。(b)适用于动态测量 压电材料在交变力的作用下，电荷不断补充，供给 测量回路一定的电流，故适用于动态测量。,压电式传感器适用范围,（a）并联方式,压电元件的连接方式,适宜测慢速信号以电荷为输出的场合,（b）串联方式,适宜以电压为输出信号输入阻抗很高的场合,注意：压电式传感器在测量低压力时线性度不好，传递 损失较大。为使压电片电荷与力之间呈线性关系 在力传递系统中加入预加力，称预载。（1）消除低压力中的非线性（2）消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度（3）只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力 和拉交变力、压交变力及剪力和扭矩,压电式传感器,（a）等效电压源,压电式传感器的等效电路,等效为电压源ua和一个电容器Ca的串联电路,（b）等效电荷源,等效为电荷源q和一个电容器Ca的并联电路,电容量,电压放大器,Ca-极板电容 Ce-连接电缆的等效电容 Ci-输入电容,理想情况下，前置放大器输入电压Uim与频率无关,电荷放大器,输出电压uo只取决于输入电荷q与反馈电容Cf,压电式传感器的测量电路,使用电荷放大器时,电缆长度变化的影响几乎可忽略不计,使用电压放大器时，测量系统对电缆电容的变化很敏感，连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出；,发电型传感器,压力变送器,加速度计,力传感器,典型应用,