第五章压电传感器.ppt

1,某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。,5.1压电效应及压电材料,5.1.1压电效应,2,反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”。,压电效应的可逆性,3,电致收缩效应,电介质在电场作用下，会由于极化而引起与电场方向无关的的变形现象，与逆压电效应都是将电能转化为机械能的效应。,两者区别在于：电致收缩效应与电场方向无关，其形变与电场强度平方成正比；而逆压电效应与电场方向有关，其形变与电场强度成正比，当外加电场反向时，产生形变也反向。,4,压电材料的分类,5.1.2压电材料,5,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。,1、压电材料的主要特性参数,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,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。,6,机械耦合系数：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。,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。,7,2、压电晶体,优点：转换效率和转换精度高、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（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。,石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构压电系数d112.3110-12C/N；机械强度与品质因素高；居里点为573.,8,9,这一类包括单晶体包括酒石酸钾钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、砷酸二氢钾、砷酸二氢铵、铌酸锂。优点：压电灵敏度较高，高温强辐射条件下工作性能稳定缺点：易于受潮，质地脆，机械强度低，电阻也较低,水溶性压电晶体,10,3、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。,11,4、新型压电材料,压电半导体包括硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉既具有压电特性，又具有半导体特性。有机高分子压电材料一类是高分子聚合物聚偏氟乙烯(PVF2)、聚氯乙烯(PVC)、聚氟乙烯优点：质地柔软，抗拉强度高，耐冲击另一类是高分子化合物中掺杂钛酸钡(BaTiO3),12,1.石英晶体的结构,X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。,纵向压电效应：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）方向时则不产生压电效应。,5.1.3石英晶体的压电特性,13,如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为纵向压电效应，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为横向压电效应，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,14,15,d11压电系数（C/N）,作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面,此时，,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,16,石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。下图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-。,2.石英晶体产生压电效应的微观机理,17,硅氧离子的排列示意图,x,18,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。如图所示。,因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。,19,20,当晶体受到沿x方向的压力（Fx0,在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0,21,22,在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。,当晶体受到沿x方向的拉力（Fx0）作用时，其变化情况如图所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为,(P1+P2+P3)x1，,则,令,59,式中,-测量回路固有频率,60,结论,（1）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。,(2)当，前置放大器输入电压Uim随频率变化不大,（3）当，可近似看作放大器输入电压与作用力的频率无关，说明压电传感器高频响应特性好，即输出电压不受频率限制，适合于高频交变力的测量。,61,（4）采用电压放大器的压电传感器的压电灵敏度受分布电容C的影响,引线电缆不能太长，否则会降低电压灵敏度；,不能随意改变引线电缆长度，否则电压灵敏度也会改变,62,2.电荷放大器,用电压放大器作为前置变换电路使得输出U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。,63,电荷放大器等效电路,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，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。,64,由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压,通常A=104-108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为,65,由上式知，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，因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。在实际电路中，CF的容量做成可选择的，范围一般为100-104pF。,66,5.3压电式传感器的应用,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。,压力式单向测力传感器结构图,压电式测力传感器,67,传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1-0.5mm，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0-5000N，最小分辨率为0.01N，固有频率为50-60kHz，整个传感器重为10g。,典型应用：机床动态切削力的测量。,68,压电式刀具切削力测量示意图,69,图是一种压电式加速度传感器的结构图。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。,压电式加速度传感器结构图,压电式加速度传感器,70,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，,F=ma,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。,71,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,压电式玻璃破碎报警器,72,压电式压力传感器,引线,壳体,基座,压电晶片,受压膜片,导电片,p,压电式测压传感器,73,当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正比。,74,压电式声传感器,压电陶瓷换能器结构图,当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。,75,当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。,如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。,76,压电式流量计,压电超声换能器每隔一段时间(如1/100s)发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。,压电式流量计,77,压电式传感器在测漏中的应用,如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。,78,两者时间差为,t=tA-tB=（LA-LB）/v,又L=LA+LB，所以,79,超声速测