第6章_压电式传感器.ppt

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1、传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,主要内容 1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,概述,压电式传感器是一种典型的发电型传感器，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。 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6章 压电式传感器,概述,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,6.1 压电效应,某些电介质（晶体） 当沿着一定方向施加力变形时，

2、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6章 压电式传感器,6.1 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”。 所以压电元件可以将机械能转化成电能 也可以将电能转化成机械能。,（一）石英晶体,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形（续）,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,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

3、生稳定的振荡输出频率。,晶振,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料 6.2.1 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。,外形结构,在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。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。 压电材料的主要特性参数有： 压电常数: 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。 弹性常数: 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器

4、件的固有频率和动态特性。, 介电常数: 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 电阻: 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料,6.2.1 石英晶体 石英晶体化学式为SiO2

5、，是单晶体结构。图6-2（a）表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。 其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。,图6-2 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片,若从晶体上沿y方向切下一块如图6-2（c）所示的晶片，当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为,(

6、6-1),式中, d11为x方向受力的压电系数。 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,(6-2),式中：d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11； a、b晶体切片的长度和厚度。 电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。 石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“”代表硅离子Si4+， “”代表氧离子O2-。 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12

7、0夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 如图6-3（a）所示。,图6-3 石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体,因为P=ql, q为电荷量，l为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 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。如图（b）所示，此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x

8、轴的正方向出现负电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图（3c）所示。与（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。 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。 当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料 6.2.2 压电陶瓷（多晶体）,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料

9、，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，他有一定的极化方向。 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。,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,6.2 压电材料 6.2.2 压电陶瓷（多晶体）,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。 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。,极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，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

10、上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：,(6-3),式中： d33 压电陶瓷的压电系数； F作用力。,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,6.3 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：,电路串联（等效为电压源),电路并联（等效为电荷源）,6.4 压电式传感器测量电路,6.4.1 压电式传感器的等效电路 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。

11、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， 则其电容量为,(6-4),式中： A压电片的面积； d压电片的厚度； r压电材料的相对介电常数。 因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。 如图6-7（a）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为,压电传感器也可以等效为一个电荷源。 如图6-7（b）所示。,图6-7 压电元件的等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源,压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容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

12、阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路， 如图6 - 8所示。,图6-8 压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源,6.4.2 压电式传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,1. 电压放大器（阻抗变换器） 图6-9（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。,在图6-9（b）中，电阻R=RaRi/(Ra+

13、Ri)，电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sint的作用，则其电压为,（6-6）,式中： Um压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca； d压电系数。,图 6-9 电压放大器电路原理及其等效电路图 （a） 放大器电路; （b） 等效电路,(6-7),(6-8),输入电压和作用力之间相位差为,(6-9),在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-8）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为,(6-10),式（6-10）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在/03时，就可以认为Uim与无关，0表

14、示测量电路时间常数之倒数，即,这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力（=0）时， 前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用于静态力的测量。 当(Ca+Cc+Ci)R1 时，放大器输入电压Uim如式（6-10）所示，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换， 否则将引入测量误差。,2. 电荷放大器 电荷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构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输

15、入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。,（6-11）,式中 ： uo放大器输出电压； ucf反馈电容两端电压。,图6-10 电荷放大器等效电路,由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压,（6-12）,通常A=104108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，式（6-12）可表示为,（6-13）,由式（6-13）可见，电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般

16、为100104pF。,6.3 压电式传感器的应用,6.3.1 压电式测力传感器 图6-11是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。,图6-11 压力式单向测力传感器结构图,传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的测力范围为050N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。,6.3.2 压电式加速度传感器 图6-12是一种压电式加速度传感器的结构

17、图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,图6-12 压电式加速度传感器结构图,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,（6-14）,式中：F质量块产生的惯性力； m质量块的质量； a加速度。 此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为,q=d11F=d11ma,与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,6.3.3 压电式金属加工切削力测量 图6-13是利用压电陶瓷传感器

18、测量刀具切削力的示意图。 由于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。图中压电传感器位于车刀前部的下方，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。,图6-13 压电式刀具切削力测量示意图,6.3.4 压电式玻璃破碎报警器 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， 它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。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的

19、最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为1520 k 。,图6-14 BS-D2压电式玻璃破碎传感器 （a） 外形; （b） 内部电路,报警器的电路框图如图6-15所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后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，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。 玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。,图6-15 压电式玻璃破碎报警器电路框图,BZ-8701A袖珍式测振仪 压电式传感器,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,65 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6章 压电式传感器,65 压电传感器的应用,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,65 压电传感器的应用,传感器原理及应用,第6章 压电式传感器,本章小结：,压电效应 、压电材料以及压电元件 结构形式 ； 压电传感器等效电路与测量电路， （1）电压放大器，（2）电荷放大器； 压电传感器的应用,