传感器与检测技术课件第三章-4压电式传感器概要

1、第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/61 。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/62 压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器 压电陶瓷超声换能器 压电加速度计 压电警号压电警号 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/63 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/64 1. 第三章 力、扭矩和压力传感器

2、 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/65 电能电能机械能机械能 正压电效应正压电效应 逆压电效应逆压电效应 1. 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/66 2. 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/67 对压电材料特性要求 转换性能转换性能。要求具有较大压电常数。要求具有较大压电常数。 机械性能机械性能。压电元件作为受力元件。压电元件作为受力元件, ,希望它的机械强度高、希望它的机械强度高、

3、 刚度大刚度大, ,以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能电性能。希望具有高电阻率和大介电常数。希望具有高电阻率和大介电常数, ,以减弱外部分布以减弱外部分布 电容的影响并获得良好的低频特性。电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性环境适应性。温度和湿度稳定性要好。温度和湿度稳定性要好, ,要求具有较高的居里要求具有较高的居里 点点, ,获得较宽的工作温度范围。获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感

4、器二、压电式传感器 2021/2/68 2. 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/69 2. 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/610 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/611 在晶体学中在晶体学中, ,可以把将其可以把将其 用三根互相垂直的轴表用三根互相垂直的轴表 示示, ,其中其中, ,纵轴纵轴Z Z称为称为光轴光轴, , 光线沿光线沿Z Z轴方向通过晶轴

5、方向通过晶 体不发生双折射体不发生双折射, ,此轴可此轴可 用光学方法确定。沿光用光学方法确定。沿光 轴的作用力不产生压电轴的作用力不产生压电 效应效应, ,故又称作故又称作中性轴中性轴。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/612 X X轴轴称为称为电轴电轴, ,它通过两它通过两 个相对的棱线个相对的棱线, ,是相邻柱是相邻柱 面内夹角的等分线并且面内夹角的等分线并且 要与要与Z Z轴垂直。轴垂直。 垂直与此轴的晶面上有垂直与此轴的晶面上有 最强的压电效应。最强的压电效应。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一

6、节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/613 垂直于垂直于XOZXOZ平面的平面的y y轴轴 为机械轴为机械轴, ,在电场作用在电场作用 下下, ,y y轴方向有最明显的轴方向有最明显的 机械变形。机械变形。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/614 Z X Y (a)(b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 通常把沿电轴通常把沿电轴XX方向的力作方向的力作 用下产生电荷的压电效应称为用下产生电荷的压电效应称为 “纵向压电效应纵向压电效应”, ,而把沿

7、机械而把沿机械 轴轴YY方向的力作用下产生电方向的力作用下产生电 荷的压电效应称为荷的压电效应称为“横向压电横向压电 效应效应”, ,沿光轴沿光轴ZZ方向受力方向受力 则不产生压电效应。则不产生压电效应。 2. 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/615 硅氧离子的排列示意图 ( (a a) ) 硅氧离子在硅氧离子在Z Z平面上的投影平面上的投影 （b b）等效为正六边形排列的投影）等效为正六边形排列的投影 (b)(a) + + - - - Y X X Y + 2. 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传

8、感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/616 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + FX (b) FX0 Y + + + - - X - + + + FX FX P2 P3P1 + 电偶极矩分析 2. 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/617 电偶极矩分析 电偶极矩 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/618 电偶极矩分析 电偶极矩 电偶极矩 第三章 力

9、、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/619 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关: 当晶体不受力时F=0,正负离子分布在六边形顶角,电偶 极矩, 晶体呈中性; 当晶体受沿X轴方向的应力时,X方向压缩形变,电偶极矩 在X轴的正方向出现正电荷; 当晶体受沿Y轴方向的应力时,Y方向压缩形变,电偶极矩 在X轴的正方向出现负电荷; 123 PPP 123123 ,()0PPPPPP 123123 ,()0PPPPPP 归纳: 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2

10、/620 若从晶体上切 下一块如图5-6（a）所 示的晶片,当沿电轴x方 向施加应力 x时,晶片 将产生厚度变形,并发 生极化现象。在晶体线 性弹性范围内,极化强 度 11与应力x 成正比。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/621 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系: d为压电系数 在X轴方向施力时,产生电荷大小为: 1为X方向应力 在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: 2为Y方向应力 压电系数 d11=-d12 为常数 a 、b是晶体切片几何尺寸(厚、长) QdF 111x qd 1 22y b qd a

11、关系式: 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/622 压电石英晶体的特点压电石英晶体的特点: : 压电常数小压电常数小, ,其时间和温度稳定性好其时间和温度稳定性好, ,常温下几乎不变。常温下几乎不变。 机械强度和品质因数高机械强度和品质因数高, ,许用应力高达（许用应力高达（6.99.86.99.8） 10107 7MPaMPa, ,且刚度大且刚度大, ,固有频率高固有频率高, ,动态特性好。动态特性好。 居里点为居里点为573573, ,重复性好、绝缘性好。重复性好、绝缘性好。 对于天然石英对于天然石英, ,上述

12、性能尤佳上述性能尤佳, ,它们常用于精度和稳定性它们常用于精度和稳定性 要求高的场合和制作标准传感器。要求高的场合和制作标准传感器。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/623 压电陶瓷 压电陶瓷谐波器 超声波医学压电陶瓷压电陶瓷晶片 压 电 陶 瓷 蜂鸣器 打火用压电陶瓷 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/624 压电陶瓷 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/

13、625 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/626 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/627 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/628 + _ U _ + + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 电路串联电路串联 + _

14、+ _ U 电路并联 + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + C C串串= =C C/2,/2,U U串串=2=2U U, ,Q Q串串= =Q Q C C并并=2=2C C, ,U U并并= =U U, ,Q Q并并=2=2Q Q 采用串联方式传感器本身电采用串联方式传感器本身电 容小容小,输出电压大输出电压大,适用于以适用于以 电压作为输出信号的场合。电压作为输出信号的场合。 采用并联方式传感器本身的采用并联方式传感器本身的 电容大电容大,输出电荷量大

15、输出电荷量大,时间常时间常 数大数大,适用于测量缓慢信号和适用于测量缓慢信号和 以电荷作为输出的场合。以电荷作为输出的场合。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/629 4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器 （1 1）等效电路）等效电路 a S C d Q Ca 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/630 4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器 （1 1）等效电路

16、）等效电路 因此因此,可以把压电式传感器等效为一个电荷源与电容相并联可以把压电式传感器等效为一个电荷源与电容相并联 的电荷等效电路。如下图所示。开路状态输出电荷为的电荷等效电路。如下图所示。开路状态输出电荷为 UCQ a 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/631 a Q U C 4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器 因此因此,压电传感器压电传感器 还可以等效为还可以等效为电电 压源压源Ua和一个电和一个电 容器容器Ca的串联电的串联电 路路,如图如图 。 第三章 力、扭矩和压

17、力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/632 实际使用时实际使用时,压电传感器通过导线与测量仪器相连接压电传感器通过导线与测量仪器相连接,连接连接 导线的等效电容导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci 对电路的影响就必须一起考虑进去。对电路的影响就必须一起考虑进去。 压电元件并非理想原件压电元件并非理想原件,内部存在泄露电阻内部存在泄露电阻Ra,压电传感器压电传感器 完整的等效电路可表示为完整的等效电路可表示为: 4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大

18、器 CaRaCcRi Ci q 压电传感器的压电传感器的 完整等效电路完整等效电路 Ca传感器的固有电容传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容 Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/633 可见可见, ,压电传感器的泄露电阻压电传感器的泄露电阻Ra与前置放大器的输入电阻与前置放大器的输入电阻Ri相并联。相并联。 为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态

19、响应, ,要求压电传要求压电传 感器泄露电阻应保待在感器泄露电阻应保待在1013以上以上, ,才能使内部电荷泄漏减少到满才能使内部电荷泄漏减少到满 足一般测试精度的要求。与上相适应足一般测试精度的要求。与上相适应, ,测试系统则应有较大的时间测试系统则应有较大的时间 常数常数, ,亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗, ,否则传感器的信号否则传感器的信号 电荷将通过输入电路泄漏电荷将通过输入电路泄漏, ,即产生测量误差。即产生测量误差。 CaRaCcRi Ci q Ca传感器的固有电容传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连

20、线电容 Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/634 由于压电式传感器的输出电信号很微弱由于压电式传感器的输出电信号很微弱,通常先把传感器信号先通常先把传感器信号先 输入到高输入阻抗的前置放大器中输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗交换以后经过阻抗交换以后,方可用方可用 一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。 (其中其中,测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）测量电路的

21、关键在于高阻抗输入的前置放大器。） 4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/635 前置放大器的作用前置放大器的作用:一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出; 二是放大传感器输出的微弱电信号。二是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式前置放大器电路有两种形式:一是用电阻反馈的一是用电阻反馈的电压放大器电压放大器,其其 输出电压输出电压与与输入电压输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成

22、成正比正比;另一种是用带电容另一种是用带电容 板反馈的板反馈的电荷放大器电荷放大器,其其输出电压输出电压与与输入电荷输入电荷成成正比正比。由于电荷放。由于电荷放 大器电路的大器电路的电缆长度变化的影响不大电缆长度变化的影响不大,几乎可以忽略不计几乎可以忽略不计,故而电荷故而电荷 放大器应用日益广泛。放大器应用日益广泛。 4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/636 其输入电压其输入电压 导致电压放大器输入电压与屏蔽电缆线的分布电容导致电压放大

23、器输入电压与屏蔽电缆线的分布电容CcCc以及放大以及放大 器的输入电容器的输入电容CiCi有关有关, ,他们均是变数他们均是变数, ,会影响测量结果。会影响测量结果。 ica i CCC Q U 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/637 可见可见: : 连接电缆不宜太长连接电缆不宜太长, ,而且也不能随意更换电缆而且也不能随意更换电缆, ,否则会使传感器否则会使传感器 实际灵敏度与出厂标定灵敏度不一致实际灵敏度与出厂标定灵敏度不一致, ,从而导致测量误差。从而导致测量误差。CcCc以以 及放大器的输入电容及放大器的

24、输入电容CiCi有关有关, ,他们均是变数他们均是变数, ,会影响测量结果。会影响测量结果。 ica i CCC Q U 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/638 A0 Ca U USC 电荷放大器原理电路图电荷放大器原理电路图 i Ra q CF RF F sc C q U 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/639 可见: l 电荷放大器中,输出电压与电缆电容Cc无关,与Q成正比, 与Cf成反比,这是电荷放大器的突出优点。 l 缺点是

25、电路复杂,价格昂贵,使用电荷放大器,电缆长度 变化影响可忽略,并且允许使用长电缆工作。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/640 四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 . 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/641 超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块 主要指标主要指标: 灵灵 敏敏 度度:1、10、100mV/pC(任选一档任选一档) 频率范围频率范围:0.3100KHz(上、下限可选上、下限可选) 噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏

26、度):输出端小于输出端小于1mV 归归 一一 化化:外接电阻调整外接电阻调整 线性误差线性误差:1% 最大输出最大输出:5V或或10V 电电 源源:6V15V 特点特点:可组成经济的多点测试系统可组成经济的多点测试系统 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/642 其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形 面板式电荷放大器面板式电荷放大器 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/643 其他电荷放大器外形（续） 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第

27、一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/644 压电传感器的应用压电传感器的应用 一、高分子压电材料的应用 1. 1. 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置粘贴粘贴 位置位置 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/645 质量块 将厚约将厚约0.2mm左右的左右的PVDF薄膜薄膜 裁制成裁制成10 20mm大小。在它的正反两大小。在它的正反两 面各喷涂透明的二氧化锡导电电极面各喷涂透明的二氧化锡导电电极,再再 用超声波焊接上两根柔软的电极引线。用超声波焊接上两根柔软的电极引线。 并用保护

28、膜覆盖。并用保护膜覆盖。 使用时使用时, ,用瞬干胶将其粘贴在玻用瞬干胶将其粘贴在玻 璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间, ,压电压电 薄膜感受到剧烈振动薄膜感受到剧烈振动, ,表面产生电荷表面产生电荷 Q , ,在两个输出引脚之间产生窄脉冲在两个输出引脚之间产生窄脉冲 报警信号。报警信号。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/646 2 2压电式周界报警系统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）（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将长的压电电缆埋在

29、泥土 的浅表层的浅表层, ,可起分布式地下麦克可起分布式地下麦克 风或听音器的作用风或听音器的作用, ,可在几十米可在几十米 范围内探测人的步行范围内探测人的步行, , 对轮式或对轮式或 履带式车辆也可以通过信号处履带式车辆也可以通过信号处 理系统分辨出来。右图为测量理系统分辨出来。右图为测量 系统的输出波形。系统的输出波形。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/647 将高分子压电电缆埋在公路上将高分子压电电缆埋在公路上, ,可以获取车型分类信息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

30、费站地（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。控）及机场滑行道等。 3.3.交通监测交通监测 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/648 将两根高分子压电电缆相距若干米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平行埋设于柏油公路的路 面下约面下约5cm5cm, ,可以用来测量车速及汽车的载重量可以用来测量车速及汽车的载重量, ,并根据存储在并根据存储在 计算

31、机内部的档案数据计算机内部的档案数据, ,判定汽车的车型。判定汽车的车型。 高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/649 压电压电( (陶瓷陶瓷) )式动态力传感器以及在式动态力传感器以及在 车床车床 中用于动态切削力的测量中用于动态切削力的测量 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/650 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分压电式步态

32、分 析跑台析跑台 压电式纵跳训练压电式纵跳训练 分析装置分析装置 压电传感器测量双压电传感器测量双 腿跳的动态力腿跳的动态力 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/651 三、压磁式传感器三、压磁式传感器 1.1.压磁效应压磁效应 在机械力作用下在机械力作用下,铁磁材料内部产生应力或应力变化铁磁材料内部产生应力或应力变化,使使 磁导率发生变化磁导率发生变化,磁阻相应也发生变化的现象称为压磁效磁阻相应也发生变化的现象称为压磁效 应应 外力是拉力时外力是拉力时,在作用力方向铁磁材料磁导率提高在作用力方向铁磁材料磁导率提高,垂直垂直 作用力方向磁导率降低作用力方向磁导率降低;作用力为压力时作用力为压力时,则反之。则反之。 第三章 力、扭矩和压力传感器 第一节第一节 测力传感器测力传感器 二、压电式传感器二、压电式传感器 2021/2/652 三、压磁式传感器三、压磁式传感器 1.1.压磁效应压磁效应 压磁元件结构如右图。压磁元件结构如右图。 它把若干片形