2-5压电传感器.ppt

1、2020/12/20,1,2.5 压电传感器,2020/12/20,2,2.5.1 压电传感器的工作原理,压电式传感器是以某些材料受力后在表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。,2020/12/20,3,一、压电效应,天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。,2020/12/20,4,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄

2、漏、消失。,2020/12/20,5,逆压电效应,若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。,2020/12/20,6,二、压电材料的分类及特性,压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如石英晶体） 压电陶瓷( 经过极化处理的 ) 高分子压电材料,2020/12/20,7,（一）石英晶体,天然形成的石英晶体外形,2020/12/20,8,天然形成的石英晶体外形（续）,2020/12/20,9,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,2020/12/20,10,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振

3、荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,2020/12/20,11,（二）压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。,2020/12/20,12,压电陶瓷外形,2020/12/20,13,无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）,2020/12/20,14,高分子压电薄膜及拉制,2020/12/20,15,（三）高分子压电材料,典型的高分子压电材料

4、有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,2020/12/20,16,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,2020/12/20,17,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,2020/12/20,18,压电式脚踏报警器,2020/12/20,19,高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）,2020/12/20,20,2.5.2 压电式传感器的等效电路和测量电路,一、等效

5、电路,压电片受力，在电极表面出现电荷，且两电极上的电荷极性相反，大小相等。极板中间的压电片是电介质，可将压电片看成是一个电容器。,A：极板面积（m2）,：压电片厚度（m）,：介电常数（F/m）,当极板上聚集异性电荷时，极板间呈现电压：,2020/12/20,21,1、可等效为一个电压源和一个电容器的串联电路。,2、可等效为一个电荷源和一个电容器的并联电路。,电压等效,电荷等效,2020/12/20,22,二、压电片的连接方式,1、串联常用于以电压为输出的场合,压电片1,压电片2,假设单个压电片产生的电荷为Q，等效电容为C，则输出电压为U=Q/C。,两个压电片串联：,2020/12/20,23,

6、2、并联常用于以电荷为输出的场合,两个压电片并联：,2020/12/20,24,3. 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。,2020/12/20,25,3. 压电式传感器的测量电路,电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：,电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大

7、电荷的作用，只是一种习惯叫法。,2020/12/20,26,四通道电荷放大器外形,.,2020/12/20,27,上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,灵 敏 度：0.11000mV/pC频率范围：0.3100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5V准 确 度：1%最大输出：10V/10mA电源：220V/50Hz 控制方式：计算机或手动,焊接式 电荷放大器,2020/12/20,28,超小型电荷放大器模块,主要指标:灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归 一 化：

8、外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统,2020/12/20,29,其他电荷放大器外形,面板式电荷放大器,2020/12/20,30,其他电荷放大器外形（续）,2020/12/20,31,2.5.3 压电传感器的应用,一、高分子压电材料的应用,1. 玻璃打碎报警装置 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,2020/12/20,32,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化

9、锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。 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。,2020/12/20,33,压电传感器只能应用于动态测量,由于外力作用在压电元件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。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。,2020/12/20,34

10、,2压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）,将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。,2020/12/20,35,3.交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,2020/12/20,36,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,2020/12/20,37,二、压电陶瓷传感器的应用,压电片的并联接法,压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并为单片电荷Q的两倍。,2020/12/20,38,压电式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量,2020/12/20,39,压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用,压电式步态分析跑台,压电式纵跳 训练分析装置,压电传感器测量双腿跳的动态力,2020/12/20,40,压电传感器的特点,压电式传感器是一种自发电式