8-6 压电式传感器(1c)

1、今日要点今日要点变极距型电容传感器电容传感器变介质型电容传感器 调频电路运算放大器式电路二极管双T型交流电桥脉冲宽度调制电路2021-6-152五、应用五、应用1.电容压力传感器电容压力传感器 当压力当压力P1、P2变化时，膜片变化时，膜片3和和金属层金属层2组成差动组成差动电容发生变化，且电容发生变化，且与压差与压差pP1-P2成正比。成正比。2021-6-1532.电容转速传感器结构电容转速传感器结构1-齿轮齿轮 2-定极板定极板 3-电容传感器及测量电路电容传感器及测量电路 4-频率计频率计 电容传感器产生周期电容传感器产生周期电信号，经测量电路转换电信号，经测量电路转换成脉冲信号，用频

2、率计显成脉冲信号，用频率计显示齿轮转速。示齿轮转速。2021-6-154 3.CS-LAS系列加速度传感器系列加速度传感器 该加速度传感器是建造在硅晶片该加速度传感器是建造在硅晶片顶部的表面顶部的表面MEMS多硅多硅结构。多晶硅结构。多晶硅簧片悬浮在晶片表面，并提供一个簧片悬浮在晶片表面，并提供一个克克服加速度感应力服加速度感应力的阻力。用包含两个的阻力。用包含两个独立的固定板和一个与运动质块相连独立的固定板和一个与运动质块相连的中央板形成的的中央板形成的差动电容器差动电容器机构，测机构，测量量量量比例比例于加速度的多硅结构的于加速度的多硅结构的偏转偏转，从而产生电压输出信号。从而产生电压输出

3、信号。2021-6-1551-固定电极固定电极 2-绝缘垫绝缘垫 3-质量块质量块 4-弹簧弹簧 5-输出端输出端 6-壳体壳体 a2021-6-156 当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直当传感器壳体随被测对象在垂直方向上作直线加速运动时线加速运动时, 质量块在质量块在惯性惯性空间中相对静止空间中相对静止, 而而两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大两个固定电极将相对质量块在垂直方向上产生大小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的小正比于被测加速度的位移。此位移使两电容的间隙发生变化间隙发生变化, 一个增加一个增加, 一个减小一个减小, 从而使从而使C1、 C2产生大小相等、符号相反

4、的增量产生大小相等、符号相反的增量, 此增量此增量正比于正比于被测加速度被测加速度。 电容式加速度传感器的主要特点是频率响应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快和量程范围大, 大多采用空气或其它气体作阻尼大多采用空气或其它气体作阻尼物质。物质。2021-6-157电容式料位传感器电容式料位传感器 测定电极安测定电极安装在罐的顶部装在罐的顶部, 这这样在罐壁和测定样在罐壁和测定电极之间就形成电极之间就形成了一个电容器。了一个电容器。2021-6-158 当罐内放入被测物料时当罐内放入被测物料时, 由于被测物料由于被测物料介电常介电常数数的影响的影响, 传感器的电容量将发生变化传

5、感器的电容量将发生变化, 电容量变化电容量变化的大小与被测物料在罐内高度成比例变化。检测出的大小与被测物料在罐内高度成比例变化。检测出这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。这种电容量的变化就可测定物料在罐内的高度。 dDhkcsln)(0式中式中: k比例常数比例常数; 被测物料的相对介电常数被测物料的相对介电常数; 空气的相对介电常数空气的相对介电常数; D储罐的内径储罐的内径; d测定电极的直径测定电极的直径; h被测物料的高度。被测物料的高度。 传感器的静电传感器的静电电容可表示：电容可表示：2021-6-159 假定罐内没有物料时的传感器静电电容为假定罐内没有物料时的传感器静电电容

6、为C0, 放放入物料后传感器静电电容为入物料后传感器静电电容为C1, 则两者电容差为：则两者电容差为：C = C1 - C0 两种介质常数差别越大两种介质常数差别越大, 极径极径D与与d相差愈小相差愈小, 传传感器灵敏度就愈高。感器灵敏度就愈高。三种类型电容传感器的比较三种类型电容传感器的比较1）空气介质变极距型）空气介质变极距型 量程：适用于微位移的测量量程：适用于微位移的测量 灵敏度灵敏度: (5-4) 线性度：非线性线性度：非线性00CC1kdd小结小结2021-6-15103) 变介质型电容传感器变介质型电容传感器 量程：适应于测量微位移、湿度、厚度量程：适应于测量微位移、湿度、厚度

7、灵敏度灵敏度 ： (5-12) 线性度：线性线性度：线性2) 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 量程：适用于测量较大的直线位移量程：适用于测量较大的直线位移 灵敏度：灵敏度： (5-7) 线性度：线性线性度：线性001c ckll02) 1(/LLCCkr2021-6-1511 有源传感器有源传感器p电电 荷：荷： 压电传感器、辐射电离压电传感器、辐射电离p电动势：电动势：霍尔传感器、光电池霍尔传感器、光电池 磁电传感器、热电偶磁电传感器、热电偶12带着思考来学习带着思考来学习 Thinking 2021-6-1513知识要点知识要点压电效应压电效应 压电材料压电材料 等效电路等效电路 测

8、量电路测量电路 传感器的应用传感器的应用2021-6-15146.1 压电式传感器压电式传感器 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，在它的两个表面上产生符号相反的电荷在它的两个表面上产生符号相反的电荷 去掉外力后，电荷消失状态复原：不带电状态去掉外力后，电荷消失状态复原：不带电状态 作用力相反，电荷极性也发生变化作用力相反，电荷极性也发生变化逆压电效应逆压电效应 在电介质的极化方向上施加电场时，电介质在电介质的极化方向上施加电场时，电介质发生形变（电致伸缩效应）发生形变（电致伸缩效应）1、压电效应、压电效应正压电效应正压电效应机械能机械能电能电能机械

9、能机械能电能电能2021-6-15152、压电效应方程、压电效应方程T(3) ( )3Z(3)T6T4T11x(1)(2)2T2yT5T T1 1、T T2 2、T T3 3轴向轴向正正应力应力( (拉应力为正拉应力为正, ,压应力为负压应力为负) )T T4 4、T T5 5、T T6 6 绕轴绕轴切切应力应力( (逆时针方向为正逆时针方向为正) )1 1、2 2、3 3 在垂直于在垂直于XYZXYZ轴轴表面上的表面上的电荷密度电荷密度应力应力定定义义2021-6-1516iijjdT单一应力作用下的压电效应单一应力作用下的压电效应为为 j 方向应力引起方向应力引起 i 面产生的电荷时的面产

10、生的电荷时的 Tj 应力应力 i 电荷密度电荷密度单一作用力下的压电效应有以下四种类型单一作用力下的压电效应有以下四种类型Dij ij 压电常数压电常数i、j： 在在 i 表面上由表面上由j 方向的应力引起的电方向的应力引起的电荷变化荷变化应力应力T=F/A0 其中其中F为载荷为载荷 A0为试样的原始截面积为试样的原始截面积2021-6-1517纵向压电效应纵向压电效应横向压电效应横向压电效应剪切压电效应剪切压电效应面切压电效应面切压电效应i=jij应力应力电荷面电荷面应力应力电荷面电荷面应力面应力面电荷面电荷面应力面应力面电荷面电荷面Ti为轴向应力（为轴向应力（T1T3）Ti为切向应力（为切

11、向应力（T4T6）2021-6-1518iiiSQ QjjjiiijjjFTSSdFS3、力、力电荷电荷 转换公式转换公式电荷产生面积电荷产生面积Si电荷量电荷量Qi j方向受力面积方向受力面积Sj j方向受外力方向受外力Fj iiiijiFdQSS纵向压电效应纵向压电效应横向压电效应横向压电效应jijijijiSSFdQSSiji=jiijjdT2021-6-1519类型：压电晶体类型：压电晶体 (单晶体单晶体) 如：石英晶体如：石英晶体压电陶瓷压电陶瓷 (多晶多晶陶陶瓷瓷)新型压电材料新型压电材料 (压电半导体和有机高分子压电半导体和有机高分子)1、石英晶体材料、石英晶体材料特点：特点：1

12、）晶体各个方向的特性不相同）晶体各个方向的特性不相同2）Z轴方向没有压电效应轴方向没有压电效应3）X轴面压电效应最强轴面压电效应最强 4）Y轴方向机械变形最大轴方向机械变形最大2021-6-1520天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形2021-6-1521石英晶体石英晶体 石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。，是单晶体结构。图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。个正六面体。2021-6-1522Z轴为中轴为中(光光)轴：光线沿该轴通过石英晶体轴：光线沿该轴通过石英晶体无折射无折射。X轴为电轴：轴为电轴： 压电效应压电

13、效应最强。最强。Y轴为机械轴：轴为机械轴： 在电场的作用下沿该轴产生在电场的作用下沿该轴产生机械变机械变形形最明显。最明显。2021-6-1523石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双双面面镀镀银银并并封封装装2021-6-1524正常情况下石英体正常情况下石英体中正负离子处于平中正负离子处于平衡，外部呈中性。衡，外部呈中性。晶体不受力晶体不受力yxyx在在x方向受力方向受力在在y方向受力方向受力正负离子产生移动正负离子产生移动出现带电现象。出现带电现象。FyFy石英晶体压电模型石英晶体压电模型2021-6-1525P1P2P3 当石英晶体未受外当石英晶体未受外力作用时

14、力作用时, 正、负离子正、负离子正好分布在正六边形正好分布在正六边形的顶角上的顶角上, 形成三个互形成三个互成成120夹角的夹角的电偶极电偶极矩矩P1、P2、P3。xy石英晶体压电模型石英晶体压电模型2021-6-1526 当石英晶体受到当石英晶体受到沿沿 x轴方向的压力作轴方向的压力作用时用时, 晶体沿晶体沿x方向将方向将产生压缩变形产生压缩变形, 正负正负离子的相对位置也随离子的相对位置也随之变动。之变动。石英晶体压电模型石英晶体压电模型xyP1P2P32021-6-1527 此时正负电荷此时正负电荷重心不再重合重心不再重合, 电偶电偶极矩在极矩在x方向上的分方向上的分量由于量由于P1的减

15、小和的减小和P2、P3的增加而不的增加而不等于零。等于零。石英晶体压电模型石英晶体压电模型xyP1P2P32021-6-1528 - - - - - - - - - - - 电偶极矩在电偶极矩在x方向上方向上的分量由于的分量由于P1的减小和的减小和P2、P3的增加而不等于的增加而不等于零，在零，在x轴的正方向出轴的正方向出现正电荷现正电荷, 电偶极矩在电偶极矩在y方向上的分量仍为零方向上的分量仍为零, 不出现电荷。不出现电荷。石英晶体压电模型石英晶体压电模型xyP1P2P3 + + + + + + + + + + + 2021-6-1529P1P2P3 当晶体受到沿当晶体受到沿 y 轴方向的压

16、力作轴方向的压力作用时用时, 晶体的变形晶体的变形如图所示。如图所示。石英晶体压电模型石英晶体压电模型xy2021-6-1530P1P2P3- - - - - - - - -+ + + + + + + + P1增大增大, P2、P3 减减小。小。 在在x轴上出现轴上出现电荷电荷, 它的极性为它的极性为x轴正向为负电荷。轴正向为负电荷。 在在y轴方向上不出现轴方向上不出现电荷。电荷。 石英晶体压电模型石英晶体压电模型xy2021-6-1531n如果沿如果沿 z 轴方向施加轴方向施加作用力，因为晶体在作用力，因为晶体在 x方向和方向和 y方向所产生的方向所产生的形变完全相同形变完全相同, 所以正所

17、以正负电荷重心保持重合负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于电偶极矩矢量和等于零。表明沿零。表明沿 z 轴方向轴方向施加作用力施加作用力, 晶体不会晶体不会产生压电效应。产生压电效应。P1P2P32021-6-1532 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。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材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴电畴, 它有它有一定的极化方向一定的极化方向, 从而存在电场。从而存在电场。 在无外电场作在无外电场作用时用时, 电畴在晶体中杂乱分布电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被它们的极化效应被相互抵消相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。压电陶

18、瓷内极化强度为零。 因此原始的压电陶瓷呈中性因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。不具有压电性质。2、压电陶瓷、压电陶瓷 2021-6-1533压电陶瓷压电陶瓷极化处理后的人工多晶铁电体极化处理后的人工多晶铁电体伸伸长长剩剩余余伸伸长长极化前极化前极化时极化时极化后极化后电畴无序排列电畴无序排列电畴有序排列电畴有序排列电畴基本有序电畴基本有序2021-6-1534p在陶瓷上施加外电场时在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转电畴的极化方向发生转动动, 趋向于按外电场方向的排列趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得从而使材料得到极化。到极化。p外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外

19、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电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到到饱和饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。与外电场方向一致。 p外电场去掉后外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变电畴的极化方向基本不变, 即剩即剩余极化强度很大余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。这时的材料才具有压电特性。 压电陶瓷压电陶瓷2021-6-1535 当陶瓷材料（当陶瓷材料（剩余极化很强剩余极化很强）受到外力作用）受到外力作用时时, 电畴的界限发生移动电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转电畴发生偏转,

20、 从而引起从而引起剩余极化强度的变化剩余极化强度的变化, 因而在垂直于极化方向的平因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。面上将出现极化电荷的变化。电荷量与外力关系电荷量与外力关系: 式中式中: d33 压电陶瓷的压电系数压电陶瓷的压电系数 F 作用力。作用力。压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷的正压电效应q = d33 F2021-6-1536n压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多（约压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多（约为石英的为石英的50倍），所以采用压电陶瓷制作的压倍），所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的电式传感器的。n极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和极化处理后的压电陶

21、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。而使其压电特性减弱。和和n目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅，它目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅，它是由钛酸钡（是由钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（和锆酸铅（PbZrO3）组）组成，成，和和。2021-6-1537压电陶瓷外形压电陶瓷外形 2021-6-1538 PVDF是一种有机高分子物性型敏感材料，其是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏二氟乙烯。名称为聚偏二氟乙烯。1969年由日本学者年由日本学者Kawai首首先发现，具有很强的压电特性。与微电子技术结合，

22、先发现，具有很强的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元件；与压电陶瓷结合，开拓能够制成多功能传感元件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。了复合材料的新领域。应用：应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测等应用，在生物医学领域广泛应用。声探测等应用，在生物医学领域广泛应用。优点：优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉接近；频带宽；机械强度高；化人体肌肉接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。学特性稳定。 3、新型压电材料、新型压电材料压电聚合物压电聚合物PVDF2021-6-1539

23、高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 2021-6-1540压电常数：压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出压电效应强弱的参数，关系到压电输出 的灵敏度的灵敏度弹性系数：弹性系数：材料的弹性常数，决定着器件的固有频材料的弹性常数，决定着器件的固有频率和动态特性率和动态特性介电常数：介电常数：固有电容与介电常数有关固有电容与介电常数有关, 决定频率下线决定频率下线 电电 阻阻 ：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性性 居居 里里 点：点：材料开始丧失压电特性的温度材料开始丧失压电特性的温度, 石英石英5733、压电材料的

24、主要特性：、压电材料的主要特性：2021-6-1541hsCa1、等效电路、等效电路压电元件的两电极间形成一个电容压电元件的两电极间形成一个电容压电陶瓷或石英晶体的介电常数压电陶瓷或石英晶体的介电常数s极板面积极板面积h压电元件厚度压电元件厚度当受外力作用时，产生电荷当受外力作用时，产生电荷Q电荷等效：电荷等效：QCaUa电压等效：电压等效：aaCQu 2021-6-1542QCaQ=CaUaUaaaCQU 电荷等效电路电荷等效电路电压等效电路电压等效电路当不受外力时当不受外力时Q0，Ua02、压电元件的串并联、压电元件的串并联多片压电元件的组合多片压电元件的组合2021-6-1543 1）串

25、联）串联QQnUUnCCeee 串联使压电传感器时间常数减串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适合于小，电压灵敏度增大，适合于电压电压输出、高频信号测量输出、高频信号测量场合。场合。2）并联）并联nQQUUnCCeee 并联使压电传感器时间常数增并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合于大，电荷灵敏度增大，适合于电荷电荷输出、低频信号测量输出、低频信号测量场合。场合。2021-6-15441、压电传感器的实际等效电路、压电传感器的实际等效电路 压电传感器自身内阻抗很高压电传感器自身内阻抗很高, 且输出能量较小且输出能量较小,因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置因此测

26、量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。该放大器有放大器。该放大器有电压放大器电压放大器和和电荷放大器电荷放大器。压电元件的压电元件的Ca, Ra电缆的电缆的Cc前置放大器的前置放大器的Ri,Ci6.2 测量电路测量电路2021-6-15451、电压放大器电压放大器阻抗变换器阻抗变换器其中：其中：R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ce+Ci，Ua=q/Ca2021-6-1546当受正弦力当受正弦力 fFmsint 作用时：作用时：tUtCdFUmamasinsin压电元件压电元件输出电压输出电压放大器输放大器输入端电压入端电压tCCRjRjdFUamisin1电压幅值电压幅值d-压电系数

27、压电系数Um-Ca电压幅值电压幅值输入电压输入电压与作用力与作用力相位差相位差)(arctan2)(RCCCiea ieamimCCCRRdFU22122021-6-1547理想情况：理想情况：传感器电阻传感器电阻Ra和放大器输入电阻和放大器输入电阻Ri都为都为无限大，即无限大，即(Ca+Ce+Ci)R1，此时，此时输入电压幅值输入电压幅值Uim为：为：ieamimCCCdFU 放大器输入电压放大器输入电压Uim与频率无关与频率无关实际应用：实际应用：当当/03时，就可认为以上式成立时，就可认为以上式成立RCCCiea110注意：注意：2021-6-15482、电荷放大器电荷放大器 其中：其中

28、： R=RaRi/(Ra+Ri) C=Ca+Ce+Ci Ua=q/Ca由于运算放大器由于运算放大器输入阻抗高，输输入阻抗高，输入端几乎没有分入端几乎没有分流流, 故可略去故可略去R2021-6-1549 根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放大器得输出电压：大器得输出电压：1oaeifAqUCCCA C 通常运算放大器的增益通常运算放大器的增益A=104108当有（当有（1A）CfCa+Ce+Ci时，上式变为：时，上式变为：foCqU 电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压Uo只与输入电荷只与输入电荷q（成正（成正比）和反馈电容比）和反馈电容Cf（100

29、104pF）有关，而与电缆）有关，而与电缆电容电容Ce无关。无关。 2021-6-1550特点：特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大体积小、质量轻、频响高、信噪比大应用范围：应用范围：用于各种动态力（压力）、机械冲击与用于各种动态力（压力）、机械冲击与振动测量，广泛应用于声学、医学、力振动测量，广泛应用于声学、医学、力学、宇航等领域。学、宇航等领域。注意注意 电荷在无泄漏条件下，即测量回路需要无限大电荷在无泄漏条件下，即测量回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以压电式传感器的输入阻抗，但无法实现，所以压电式传感器不能不能用于静态测量用于静态测量。只有在交变力的作用下。只有在交变力的作用下, 电荷才可电荷才可以得到不断补充以得到不断补充, 供给测量回路能量，故供给测量回路能量，故适于动态适于动态测量测量(一般必须高于一般必须高于100Hz，但在，但在50kHz以上时，灵以上时，灵敏度下降敏度下降) 。 2021-6-1551n石英晶体振荡器、压力传感器、加速度传感石英晶体振荡器、压力传感器、加速度传感器、超声换能器