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1、,5.3 压电式传感器,5.3.1 压电式传感器的工作原理 5.3.2 等效电路及信号变换电路 5.3.3 压电式加速度传感器 5.3.4 压电式测力传感器,5.3.1 压电式传感器的工作原理,正压电效应 物质被加力 变形表面产生电荷 逆压电效应 施加电场 电介质产生变形应力 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 压电式传感器利用正压电效应制成了电势型传感器 压电效应可逆 “双向传感器”。,1. 石英晶体的压电效应,X轴： 电轴或1轴，该轴压电效应最为显著；,图5.3.1石英晶体,Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折射显现。,Y轴： 机械轴或2轴，该轴加力变形最大；,“纵向
2、压电效应”： 沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷； “横向压电效应”： 沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷； 在光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。,dij压电系数，第一个下标表示极化方向，i=1、2、3分别代表x、y、z轴；第二个下标表示作用力方向，i=1、2、3、4、5、6分别代表沿x、y、z轴方向单向应力和垂直于x、y、z轴平面（即yz平面、xz平面、xy平面）的剪切力；,晶体切片,当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷,d11压电系数（C/N）,图5.3.1石英晶体切片示意图,若作用力是沿着机械轴方向，电荷仍在与X轴垂直的平面,a和b晶体切片的长度和厚度
3、； d12为y轴方向受力时的压电系数，晶体轴对称， d12 =-d11。 负号说明沿y轴的压力引起的电荷极性与沿X轴的压力引起的电荷极性相反。,切片上电荷的符号与受力方向的关系,图（a）在x轴方向受压力；图（b）在x轴方向受拉力； 图（c）在y轴方向受压力；图（d）在y轴方向受拉力。,图5.3.3 晶体切片上电荷的符号与受力方向的关系,在z轴方向无论受压力还是受拉力，硅离子和氧离子作对称平移的，故在表明没有电荷呈现，因而没有压电效应。,石英晶体(SiO2)的压电效应,（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象； （b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在
4、A面和B面分别呈现正、负电荷 。,图5.3.4 石英晶体的压电效应,石英晶体,一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点： 转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度变化而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。,2. 压电陶瓷的压电效应,人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。,图5.3.5 压电陶瓷的极化,压电陶瓷具有类似铁磁材料磁畴结构的“电畴”结构，是其自发极化而形成的微小极化区域。当外加电场撤销以后，它有一定的极化方向，而存在一定的电场。,陶瓷片极化,图5.
5、3.6 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图,吸附空气中的自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。,压电陶瓷的正压电效应,压电陶瓷片上加上一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，片内正负束缚电荷之间距离变小，电轴发生偏转，极化强度也变小。原来吸附在极板上的自由电荷，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，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。,放电电荷的多少与外力的大小成比例关系,Q电荷量；d33压电陶瓷的压电系数； F作用
6、力,对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上，任意选择一正交轴为x和y轴，因此它的x轴和y轴是可以互易的。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，如图5-12（a）所示，其电荷量q与作用力Fz成正比，即,(5-12),d33 压电陶瓷的纵向压电系数； F作用力。,压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比，即,式中以上设 Fx=F y， Ax=A y A z极化面面积，； Ax、A y受力面面积，以上 Ax=A y； d32、d31压电陶瓷的横
7、向压电系数， d32=d31。,当作用力Fz、Fy或Fx反向时，电荷的极性也反向。 压电陶瓷在受到如图5-12（c）所示的作用力Fx、Fy、Fz共同作用时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷。,图5-12 压电陶瓷的变形方式（ d31 =d32=-0.41 d33 ）,（a）纵向变形,（b）横向变形,（c）体积变形,无论在什么方向施加作用力产生压缩形变时，压电陶瓷的正、逆压变效应只出现在其极化方向。 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。,常见压电陶瓷 ：,（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如
8、石英。 （2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。,（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN） 具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。,5.3 压电式传感器,5.3.1 压电式传感器的工作原理 5.3.2 等效电路及信号变换电路 5.3.3 压电式加速度传感器 5.3.4 压电式测力传感器,5.3.2 等效电路及信号变换电路,1. 压电元件的等效电路 2. 压电式传感器
9、的信号调节电路,S极板面积；h压电片厚度；介质介电常数。,1. 压电元件的等效电路,压电式传感器可以看作一个电荷发生器，同时也是一个以压电材料为介质的电容器，电容量为Ca。,图5.3.8压电元件的等效电路,压电式传感器的等效电路,(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电压源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路,图5.3.8 压电式传感器的等效电路,两个压电片的联接方式,（a） “并联”，Q=2Q，U=U，C=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。,图5.3.9 两个压电片的联接方式,（b） “串联
10、” Q=Q，U=2U，C=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。,2. 压电式传感器的信号调理电路,XC=1/2fc，压电式传感器要求负载电阻RL很大，才能使测量误差小到一定数值以内。 因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。,测量电路关键在于高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用: 把压电式传感器的微弱信号放大； 把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,（1）电压放大器,Ca传感器的电容 Ra传感器的漏电阻 Cc连接电缆的等效电容 Ri放大器的输入电阻 Ci放大器的输入电容,图5.3.10电压放大
11、器输入端等效电路,K闭环放大倍数,前置放大器输入电压,压电元件受到的交变正弦力 F=Fmsint 压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q = d11F。,输入电压的幅值：,当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。 从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。 压电式传感器突出优点：高频响应相当好。,传感器的低频响应范围,电压放大器应用限制,电缆长 Cc就大Ku ，故压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。 电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用
12、。,解决电缆问题的办法,将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。,图5.3.11 内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器,（2）电荷放大器,压电式传感器另一种专用的前置放大器。 它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。 使用电荷放大器突出的一个优点： 在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。,压电传感器与电荷放大器连接等效电路,图5.3.12 压电传感器与电荷放大器连接等效电路 Ca传感器的电容 Ra传感器的漏电阻 Cc连接电缆的等效电容 Ri放大器的输入电阻 Ci放大器的输入电容 K开环放大倍数,几点
13、结论： 1.UO只与Q和Cf有关，而与K的变化或Cc等均无关系； 2.只要保持Cf的数值不变，Uo 与 Q变化成线形关系； 3.Cf Uo ； 4. UO/ Q 必须选择适当的反馈电容； 5.UO与Cc无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）,K放大器的开环增益,放大器采用FET，Ri很大。,充电电压接近等于放大器的输出电压,5.3 压电式传感器,5.3.1 压电式传感器的工作原理 5.3.2 等效电路及信号变换电路 5.3.3 压电式传感器的应用,5.3.3 压电式加速度传感器,图5.3.13 压缩式压电加速度传感器的结构原理图,压电元件采用并联接法,测量原理,当传感器感受振动时，质量块
14、感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。,Q=d33F=d33ma,输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。,2. 压电式测力传感器,压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。 变形方式：利用纵向压电效应的厚度变形最简便。 材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提出的要求、工作环境温度等各种因素。 晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。,压电式单向测力传感器,用于机床动态切削力的测量。,图5.3.14 压电式单向测力传感器的结构图,压电式压力传感器,测量均布压力的传感器,End the 5.3,图5.3.15 测量均布压力的传感器,作业 P155 1. 2.简述霍尔传感器用于振动测量的原理。 3. 4.画出霍尔传感器基本测量电路。 5. 6. 7.比较石英晶体和压电陶瓷各自的特点。 8.（其中电荷放大器的特点从阻抗变换、输出电压与Q的关系、输出电压与电缆长度关系方面叙述）。 9.,