传感器与自动检测技术演示教程.pdf

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1、传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术传感器与自动检测技术 课程概述 必修课 40理论8实验 主要内容 测量概论 （误差理论与数据处理） 传感器基本特性 应变式 电感式 电容式 压电式 磁电式 热电式 光电式 （光电检测技术） 半导体（气敏、湿敏） 超声波 微波 红外辐射 数字式 智能式 （智能传感器） （过程检测技术与仪表） 教材与参考书 教材： 传感器原理及工程应用（第二版），郁有文等 编，西安电子科技大学出版社,2005 参考书： 非电量电测技术（第2版），吴道悌主编，西安 交通大学出版社（研）,2004 传感器与信号调节（第2版），张伦译，清华大 学出版社，200

2、3 教学基本要求 了解测量的基本知识 掌握各类传感器的基本特性和工作原理、典 型测量电路 了解各类传感器的典型应用 第一章 传感与检测技术理论基础 被测对象 数据传输环节 数据显示环节数据处理环节传感器 被测量 测量结果 图11 测量系统组成图 被 测 对 象显 示 放 大 传 感 、 变 送 图2.2 开环系统测量框图 x 1 x 2 x 2 k 3 k 1 k y 被 测 对 象显 示 放 大 传 感 、 变 送 图2.3 闭环系统测量框图 x 1 x 2 x 2 k 3 k 1 k y 反 馈 f x x 第二章 传感器概述 y YFS o Lmax x y YFS L1=Lmax L2

3、 o x y YFS Lmax x y YFS L1 L2 L3 L3=Lmax o x (a)(b)(c)(d) o 直线拟合 线性度 y YFS x o 灵敏度 o x yy x y x y x y x (a)(b) o 第第第第3 3 3 3章章章章 应变式传感器应变式传感器应变式传感器应变式传感器 3.1 3.1 3.1 3.1 工作原理工作原理 3.2 3.2 3.2 3.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 3.3 3.3 3.3 3.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 3.4 3.4 3.4 3.4 应变式传感器的应用应变式传感器的应用 3.1 工作

4、原理 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的 应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体 应变式传感器概述 是利用电阻应变片电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件弹性元件在力、力矩或压 力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递 给与之相连的应变片应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量 电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构： 应变式传感器由弹性元件弹性元件上粘贴电阻应变片电阻应变片构成 应用： 广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量 应变效

5、应分析应变效应分析 电阻应变片的工作原理是基于应变效应 即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械 变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为 “应变效应”。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为： 图3-1 金属电阻丝应变效应 F F F F l r r l F F F F A l R = 当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面 积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素 影响而改变了，从而引起电阻值变化量为 d A dA l dl R dR += 式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为 l dl = 2 ll dRddldA AAA 电阻相对变化量： dA/A圆形电阻丝

6、的截面积相对变化量，设r为电 阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则 r dr A dA 2= 材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸 长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为 = l dl r dr 为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向 相反。 推得： 定义：电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变 所引起的电阻相对变化量。其表达式为 d R dR K+=21 d R dR +=)21 ( 灵敏系数K受两个因素影响 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即 1+2 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（d/）

7、/。 对金属材料：1+2(d/)/ 对半导体材料：(d/)/1+2 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻 的相对变化与应变成正比，即K为常数。 分析：当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为 d R dR +=)21 ( 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关： =E d 式中： 半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。 因此： )21 (E R dR += 实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽 略，因而半导体应变片的灵敏系数为 E R dR K= 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍， 但半导体材料

8、的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。 测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械 变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻 值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R 时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的 关系，得到应力值为 =E dR R K = 应变片的结构应变片的结构 图3-2 金属电阻应变片的结构 l b 丝式丝式丝式丝式 箔式箔式箔式箔式 图 3-3 常用应变片的形式 3.2 3.2 3.2 3.2 应变片的温度误差及补偿应变片的温度误差及补偿 1. 1. 1. 1. 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改

9、变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 1) 电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 式中: Rt温度为t时的电阻值； R0温度为t0时的电阻值； 0温度为t0时金属丝的电阻温度系数； t温度变化值，t=t-t0。 当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为： R=Rt-R0=R00t 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变 化不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变 化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加

10、电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0, 它们的线 膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分 别为 ls=l0(1+st) lg=l0(1+gt) （3-22） （3-23） 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形l、 附加应变和附加电阻变化R分别为 tRKRKR t l l tllll sg sgg sgsg = = = = )( )( )( 0000 0 0 由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 tK tKt R RR R R sg sg t += += + = )( )( 00 00 00 结论结论结论结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化 量，

11、除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数 （K0, 0, s）以及被测试件线膨胀系数g有关。 2. 2. 2. 2. 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片 自补偿两大类。 1) 1) 1) 1) 线路补偿法线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。 图3-8 电桥补偿法 R1 R3 RB R4 Uo R1 RB (a)(b) R1 ;RB F F F FF F F F U 电路分析 A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可 知， 当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo 的作用方向相反。 利用这一基本关系可

12、实现对温度的 补偿。 31431 0 134134 ()() B ab BB RR RR RR UUUUUU RRRRRRRR = + 0143 () B UAR RR R= 134 ()() B U A RRRR = + 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面 上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补 偿块上，且仅工作应变片承受应变。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境 温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此 时有 0)( 341 =RRRRAU Bo 工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取桥臂电阻。 温度补偿的实现：当温度升高或降低t

13、=t-t0时，两个应变片因 温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即 0)()( 3411 =+=RRRRRRAU BtBto 应变的测量：被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1 又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生 新的增量， 此时电桥输出电压为 可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关，而与环 境温度无关。 011431414 ()() B UKRR RR RAR RAR KR=+= 注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数 、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿

14、块材料和粘贴工作片的被测 试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。 2) 应变片的自补偿法 利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿的。 要实现温度自补偿，必须有 )( 00sg K= 上式表明，当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理 选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数0、灵敏系数K0以及线膨 胀系数s，满足上式，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0， 从而达到温度自补偿的目的。 tK tKt R RR R R sg sg t += += + = )( )( 00 00 00 3.3 3.3 3.3 3.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 3.3.1 3.

15、3.1 3.3.1 3.3.1 直流电桥直流电桥 1. 1. 1. 1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 + + = 43 3 21 1 RR R RR R EUo R1R2 R4 R3 A C B E D Io RLUo + - 图3-9 直流电桥 当RL时，电桥输出电压为 当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3 或 4 3 2 1 R R R R = 电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相 等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。 电桥平衡条件 2. 2. 2. 2. 电压灵敏度电压灵敏度 应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输 出电压也很小，一般需要加入放大器进行

16、放大。由 于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以 此时仍视电桥为开路情况。 当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它 桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平 衡，输出电压为 + + + = + = + + + = 3 4 1 2 1 1 1 1 3 4 43211 41 43 3 211 11 11 )( R R R R R R R R R R E RRRRR RR RR R RRR RR EUo 设桥臂比n=R2/R1，由于R15的小曲率圆环：A、B两点的应变。 Ebh FR Ebh FR A 2 2 91 . 1 09 . 1 = = 这样， 测出A、 B处的应变， 即可得到载荷

17、F。 A 2 3( /2)2 (1) F Rh bh E B 2 3( /2) 2F Rh bh E 内贴取“一” 内贴取“” 式中： h圆环厚度； b圆环宽度； E材料弹性模量。 0 () () 0 U RR UfK f F RR R UF R = = 测量 3.4.2 3.4.2 3.4.2 3.4.2 应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表 达式分别为 Eh xRp Eh xRp t r 2 222 2 222 8 )(1 (3 8 )3)(1 (3 = =

18、 图3-15 膜片式压力传感器 （a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴 tr x h R p p p p R2 R1R4 R3 r t (a)(b) 应变变化曲线的特点：当x=0时，rmax=tmax；当x=R 时，t=0， r=2rmax。 特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变 片， 在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量 电路。 避开 位置。 3/Rx=0= r 3/Rx= 3.4.3 3.4.3 3.4.3 3.4.3 应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 当容器中溶液增多时，感压 膜感受的压力就增大。将

19、其上两个传感器Rt的电桥接成正 向串接的双电桥电路，此时输出电压为 Uo=U1U2=(K1K2)hg 式中, K1，K2为传感器传输系数。 A Q gh= 12 0 ()KK Q U A + = 结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的 重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。 图3-16 应变片容器内液体重量传感器 h RL U1 R2 R4 R0 R1 R3 Rt Uo L R U2 2 R 1 R 4 R 0 R t R 3 R 3.4.4 3.4.4 3.4.4 3.4.4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a=F/m。 3 214 1

20、 ; 2 ; 3 ; 4 图3-17 电阻应变式加速度传感器结构图 测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被 测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向 相反的惯性力作用， 使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂 梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电 阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平 衡，从而输出电压， 即可得出加速度a值的大小。 适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合， 一 般适用频率为1060 Hz范围。 第4章 电感式传感器 4.1 4.1 4.1 4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 4.2 4.2 4.2 4.2 差动变压器式传感器差动

21、变压器式传感器 4.3 4.3 4.3 4.3 电涡流式传感器电涡流式传感器 电感式传感器的工作基础：电磁感应 即利用线圈电感或互感的改变来实现非 电量测量 分为变磁阻式、变压器式、涡流式等 特点： 工作可靠、寿命长 灵敏度高，分辨力高 精度高、线性好 性能稳定、重复性好 4.1 4.1 4.1 4.1 变磁阻式传感器变磁阻式传感器 4.1.1 4.1.1 4.1.1 4.1.1 工作原理工作原理 变磁阻式传感器由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和 衔铁由导磁材料制成。 在铁芯和衔铁之间有气隙，传感器的运动部分与衔铁相连。 当衔铁移动时，气隙厚度发生改变，引起磁路中磁阻变化， 从而导致电感线圈

22、的电感值变化，因此只要能测出这种电感量 的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。 图4 1 变磁阻式传感器 S1 l1 L 1 W 2 3 l2 1 ; 2 ( ); 3 ( ) S2 线圈中电感量可由下式确定： W L II = （4-1） 根据磁路欧姆定律： m R IW = （4-2） 式中, Rm为磁路总磁阻。 气隙很小，可以认为气隙中的磁场是均匀的。 若忽略磁 路磁损， 则磁路总磁阻为 0022 2 11 1 2 SS l S l Rm += （4-3） 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻， 即 22 2 00 11 1 00 2 2 S l S S l S （4-4） 则式（4-3

23、）可写为 00 2 S Rm = （4-5） 联立式（4-1）、 式（4-2）及式（4-5）， 可得 2 00 22 SW R W L m =（4-6） 上式表明：当线圈匝数为常数时，电感L仅仅是磁 路中磁阻Rm的函数，改变或S0均可导致电感变化， 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度的传感器 和变气隙面积S0的传感器。 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器。 4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 输出特性输出特性 L与之间是非线性关系， 特性曲线如图4-2所示。 2 00 22 SW R W L m = 图4-2 变隙式电压传感器的L-特性 分析：分析： 当衔铁处于初始位置时，

24、初始电感量为 0 2 00 0 2 WS L= （4-7） 当衔铁上移时，传感器气隙减小，即=0 ， 则此时输出电感为 0 0 0 00 2 0 1 )(2 = =+= LSW LLL （4-8） 当/02LC且2LCM2，因而E2a增加，而E2b减小。反之， E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着 衔铁位移x变化时， Uo也必将随x而变化。 由图 4-17可以看出， 当衔铁位于中心位置时，差动变压 器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的 输出电压称为零点残余电压，记作Uo，它的存在使传感 器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完 全

25、一致。 零点残余电压产生原因：主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺 寸不对称，以及磁性材料的非线性等引起的。 零点残余电压的波形十分复杂，主要由基波和高次谐波组成。 基波产生的主要原因是： 传感器的两次级绕组的电气参数、几何尺寸不对 称， 导致它们产生的感应电势幅值不等、相位不同，因此不论怎样调整衔铁 位置， 两线圈中感应电势都不能完全抵消。 高次谐波（主要是三次谐波）产生原因：是磁性材料磁化曲线的非线性（磁 饱和、磁滞）。 零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将 会影响传感器的测量结果。 2. 2. 2. 2. 基本特性基本特性 差动变压器等效电路如图4

26、-16所示。 当次级开路时 11 1 Ljr U I + = (4-30) 式中：U初级线圈激励电压； 激励电压U的角频率； I1初级线圈激励电流； r1、 L1初级线圈直流电阻和电感。 . . . . . . . . 根据电磁感应定律， 次级绕组中感应电势的表达式分别为 122 112 IMjE IMjE b a = = (4-31) (4-32) 由于次级两绕组反相串联，且考虑到次级开路，则由以上关 系可得 11 21 22 )( Ljr UMMj EEU bao + = (4-33) 上式说明，当激磁电压的幅值U和角频率、 初级绕组 的直流电阻r1及电感L1为定值时，差动变压器输出电压仅

27、仅 是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数。 只要求出互感M1和M2对活动衔铁位移x的关系式，再代 入式（4-33）即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达 式。 输出电压的有效值为 2 1 2 1 21 )( )( Lr UMM Uo + = (4-34) 分析 活动衔铁处于中间位置时 M1=M2=M 故 Uo=0 活动衔铁向上移动时 M1 =M+M， M2 =M-M 故 22 11 2 () o MU U rL = + 与E2a同极性。 . . . . 活动衔铁向下移动时 M1 =M-M， M2 =M+M 故 2 1 2 1 )( 2 Lr MU Uo + = 与E2b同极性。 . .

28、 . . 3. 3. 3. 3. 差动变压器式传感器测量电路差动变压器式传感器测量电路 问题：（1）差动变压器的输出是交流电压(用交流电压表 测量，只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向); （2）测量值中将包含零点残余电压。 为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的， 实际测量时，常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 (1) 差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整 流， 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。 图4-18 差动整流电路 （a） 半波电压输出；（b） 半波电流输出； （c） 全波电压输出； （d） 全波电流输出 1 U R02 U (a) x 1

29、 U R0 (b) x T T 2 U 2 U R0 11 a b c d C1 C2 1 U x T 1 42 3 5 6 8 7 9 10 (c) T 1 U x 2 U R0 (d ) 从图4-18（c）电路结构可知，不论两个次级线圈的输出瞬 时电压极性如何，流经电容C1的电流方向总是从2到4，流经电 容C2的电流方向总是从6到8， 故整流电路的输出电压为 68242 UUU =(4-35) 当衔铁在零位时，因为U24=U68，所以U2=0；当衔铁在零位 以上时，因为U24 U68 ，则U2 0；而当衔铁在零位以下时， 则有U240，不论u2与us是 正半周还是负半周，负载电阻RL两端得

30、到的电压uo始终为 正。 当x Cx2 ，即d1=d0-d, d2=d0+d, 则有 1 0 U d d Uo = （5-43） 同样， 在变面积电容传感器中， 则有 1 U S S Uo = （5-44） 由此可见，差动脉宽调制电路适用于变极板距离以及变面 积差动式电容传感器，并具有线性特性，且转换效率高，经过 低通放大器就有较大的直流输出，调宽频率的变化对输出没有 影响。 5.5 5.5 5.5 5.5 电容式传感器的应用电容式传感器的应用 5.5.1 5.5.1 5.5.1 5.5.1 电容式压力传感器电容式压力传感器 图5-17为差动电容式压力传感器的结构图。 图中所示膜片 为动电极，

31、两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极，构成差 动电容器。 当被测压力或压力差作用于膜片并产生位移时， 所形成的 两个电容器的电容量，一个增大， 一个减小。 该电容值的变化 经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。 5.5.2 5.5.2 5.5.2 5.5.2 电容式加速度传感器电容式加速度传感器 图5-18 差动式电容加速度传感器结构图 6 2 1 C1 C2 5 d1 d2 4 3 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 ; 6 当传感器壳体随被测对象沿垂直方向作直线加速运动时， 质量块在惯性空间中相对静止，两个固定电极将相对于质量块 在垂直方向产生大小正比于被测加速度的位移。

32、此位移使两电 容的间隙发生变化，一个增加，一个减小，从而使C1、C2产生 大小相等、符号相反的增量，此增量正比于被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围 大， 大多采用空气或其它气体作阻尼物质。 5.5.3 5.5.3 5.5.3 5.5.3 差动式电容测厚传感器差动式电容测厚传感器 电容测厚传感器是用来对金属带材在轧制过程中厚度的检 测，其工作原理是在被测带材的上下两侧各置放一块面积相 等， 与带材距离相等的极板，这样极板与带材就构成了两个电 容器C1、C2。把两块极板用导线连接起来成为一个极， 而带材 就是电容的另一个极，其总电容为C1 + C2 ，如果带材的厚度发

33、 生变化， 将引起电容量的变化， 用交流电桥将电容的变化测出 来， 经过放大即可由电表指示测量结果。 图 5-19 差动式电容测厚仪系统组成框图 C0 C1 C2 R R C T 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 6.1 6.1 6.1 6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 6.2 6.2 6.2 6.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 6.3 6.3 6.3 6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 第6章 压电式传感器 6.1 6.1 6.1 6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 某些电介质，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，

34、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，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压 电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时 人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效应”。相 反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变 形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电 效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机电能量的相互转 换，如图6 - 1所示。 第6章 压电式传感器 图6-1 压电效应可逆性 第6章 压电式传感器 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

35、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、刚度决定着压电器件的 固有频率和动态特性。 第6章 压电式传感器 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

36、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。 第6章 压电式传感器 表表6-1 6-1 6-1 6-1 常用压电材料性能参数常用压电材料性能参数 第6章 压电式传感器 6.1.1 6.1.1 6.1.1 6.1.1 石英晶体石英晶体 石英晶体化学式为SiO2，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

37、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。 第6章 压电式传感器 图6-2 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 z x y o x z y o b z o x a cy (a)(b)(c) 第6章 压电式传感器 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 xx Fdq 11 =(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 yy

38、 F b a dq 12 = (6-2) 第6章 压电式传感器 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120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 如 图6-3（a）所示。 第6章 压电式传感器

39、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 y x P P P P1 P P P P2P P P P3 (a) - + + - (b)(c) x y A F F F Fx P P P P1 P P P P2P P P P3 o F F F Fx B x A F F F Fy y C B D P P P P1 P P P P2 P P P P3 o o F F F Fy 第6章 压电式传感器 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

40、。 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6-3（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。 第6章 压电式传感器 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-3c） 所示。与图6-3（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

41、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。 第6章 压电式传感器 6.1.2 6.1.2 6.1.2 6.1.2 压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒 有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化 效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电 陶瓷呈中性，不具有压电性质, 如图6-4（a）所示。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向 于按外电场方向的排列，从而使材料得

42、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。让外电场强度大到 使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地 与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本 变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性, 如图 6-4（b）所示。 第6章 压电式传感器 图6-4 压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化 (a)(b) 第6章 压电式传感器 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 上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机

43、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： Fdq 33 =(6-3) 式中： d33 压电陶瓷的压电系数； F作用力。 第6章 压电式传感器 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。极化处理后的压电陶瓷材 料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化， 从而使其压电特性减弱。 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸 钡和二氧化钛按11摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电 系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有115，使用温度不超 过70，温度

44、稳定性和机械强度都不如石英。 第6章 压电式传感器 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列， 它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi） O3）。居里点在300以上，性能稳定，有较高的介电常数和压 电系数（性能指标见表6-1）。 铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁 酸铅 、锆酸铅（PbZrO3）和钛酸铅（PbTiO3） 按不同比例配出不同性能的压电陶瓷。具有极高的压电系数和 较高的工作温度， 而且能承受较高的压力。 3 3 2 3 1 ONbMgPb 第6章 压电式传感器 6.1.36.1.36.1.36.1.3 压电式传感器压电

45、式传感器 压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这 个特性，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。 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，电荷可以不断补充，以供给测量回 路一定的电流，故适用于动态测量。 第6章 压电式传感器 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输 出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的 压电元件粘结在一起。 由于压电材料的电荷是有极性的，因此 接法也有两种。如图6

46、-5所示，从作用力看，元件是串接的，因 而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片 时相同。 图6-5（a）是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。从电路 上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以，外力作用 下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电 压与单片时相同。图6-5（b）是两压电片不同极性端粘结在一 起， 从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中 和，上、 下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1倍。 第6章 压电式传感器 图6-5 压电元件连接方式 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结 -+ + + + - - (a)(b) + 第6章 压电式传感器 在上述两种接法中，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 场合。 而串联接法输出电压大，本身电容