压电式力学传感器解析PPT学习教案

1、会计学1压电式力学传感器解析压电式力学传感器解析第1页/共39页概述概述 压电式传感器是一种压电式传感器是一种自发电式自发电式传感器。它以某些电介质传感器。它以某些电介质的的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是压电传感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以测量最终能变换为力，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但，但不能用于静态参数的测量不能用于静态参数的测量。 压电式传

2、感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。性高。 第2页/共39页 1 1、正、正（顺）（顺）压电效应：压电效应： 某些电介质，当沿着某些电介质，当沿着一一定方向定方向对其施力而使它变对其施力而使它变形时，内部就产生极化现形时，内部就产生极化现象，同时在它的象，同时在它的一定表面一定表面上产生电荷，当外力去掉上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随

3、着改变时，电荷极性也随着改变。改变。一、一、 压电效应压电效应压电效应演示压电效应演示第3页/共39页 2 2、逆压电效应、逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）：）： 当在电介质的当在电介质的极化方向极化方向施加电场，这些电介质就在施加电场，这些电介质就在一定方一定方向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的现象。或应力也随之消失的现象。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压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述，为压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述，为：式中

4、，式中，qii面上的电荷密度面上的电荷密度( (Ccm2) )；Qii面上的总电荷量（面上的总电荷量（C C）；）； jj方向的应力方向的应力( (Ncm2) )；Fjj方向的作用力；方向的作用力；dij压电压电常数常数( (CN) )，( (i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6) )。 iijjiijjqdQd F或第4页/共39页二、二、压电材料及其特性压电材料及其特性单晶单晶多晶：压电陶瓷，钛酸钡，锆钛酸铅多晶：压电陶瓷，钛酸钡，锆钛酸铅(PZT)(PZT)新型材新型材料料石英晶石英晶体体铌酸锂，钽酸锂铌酸锂，钽酸锂 第5页/共39页ZXY(a)(a)石英晶体形状石英晶体形状(一一

5、)、常用压电材料、常用压电材料1、石英晶体、石英晶体 石英晶体的化学式微石英晶体的化学式微SiOSiO2 2, ,是单晶体结构，如是单晶体结构，如图图2-262-26表示理想几何形状的石英晶体，它是一个表示理想几何形状的石英晶体，它是一个正六面体晶柱。正六面体晶柱。天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形第6页/共39页(1)(1)石英晶体最大特点是石英晶体最大特点是各向异性。各向异性。 如上图所示，石英晶体的坐标图：如上图所示，石英晶体的坐标图： Z Z称为光轴；称为光轴；X X称为电轴；称为电轴；Y Y称为机械轴称为机械轴。 从石英晶体上切下一片平行六面体从石英晶体上切下一片平行六面体

6、晶体切片晶体切片，使它的晶面分别平行于，使它的晶面分别平行于X X、Y Y、Z Z轴，如图。并在垂直轴，如图。并在垂直X X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。图图2-26 2-26 石英切片石英切片(a)(a)石英晶片的切割石英晶片的切割 (b)(b)石英晶片石英晶片a ab b第7页/共39页双面镀银并封装双面镀银并封装第8页/共39页(2)(2)压电效应压电效应u纵向压电效应纵向压电效应ZXY光轴光轴机械轴机械轴电轴电轴FXFX+(a)(b)XXxxFdq11式中：式中：d11压电系数，与压电系数，与受力方向和变形有关；受力方向和变形有关；qx

7、垂直于垂直于X轴平面上的电荷，轴平面上的电荷，Fx沿沿X轴方向施加的作用轴方向施加的作用力力特点：特点：电荷电荷qx的符号表示受压力还的符号表示受压力还是受拉力；是受拉力；切片上产生的电荷多少与切切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即片的尺寸无关，即qx与与Fx成正成正比；比；晶片电荷极性与受力关系如晶片电荷极性与受力关系如右图所示。右图所示。第9页/共39页+(c)(d)FYFYXX特点：特点：沿机械轴方向作用力在沿机械轴方向作用力在晶体产生的电荷与晶体晶体产生的电荷与晶体切片的尺寸有关；切片的尺寸有关；沿沿y y轴作用力所产生的轴作用力所产生的电荷极性与沿电荷极性与沿x x轴作用力轴作用

8、力所产生的电荷极性是相所产生的电荷极性是相反的，见左图。反的，见左图。注：石英晶体并不是在注：石英晶体并不是在任何方向都存在压电效任何方向都存在压电效应应(2(2）压电效应）压电效应u纵向压电效应纵向压电效应yyFLdq)/(12式中：式中：d11y轴方向受力的压电系数，据石英晶体的对称性，有轴方向受力的压电系数，据石英晶体的对称性，有d12 = -d11 ；qy垂直于垂直于X轴平面上的电荷，轴平面上的电荷，Fy沿沿y轴方向施加的作用力；轴方向施加的作用力；L、晶体切片的长度、厚度晶体切片的长度、厚度第10页/共39页(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧

9、离子在硅氧离子在Z Z平面上的投影平面上的投影（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+(3)石英晶体的压电特性石英晶体的压电特性 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子和氧离子O2-在在Z平面平面投影，如图投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图效为图(b)中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 第11页/共39页当作用力当作用力F FX X=0=0时，正、负离子（即时，正、负离子（

10、即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正好分布在正六边形顶角上，）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成形成三个互成120120夹角的偶极矩夹角的偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，如图（，如图（a a）所示。此时）所示。此时正负电荷中心正负电荷中心重合重合，电偶极矩的矢量和等于零，即，电偶极矩的矢量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 当晶体受到沿当晶体受到沿X方向的压力（方向的压力（FX0；在；在Y、Z方向上的分量为方向上的分量为（P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Y Y=0 =0 （P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Z Z

11、=0=0由上式看出，在由上式看出，在X X轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在Y Y、Z Z轴方向则不出现电荷轴方向则不出现电荷。Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+（P1+P2+P3）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0 当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向的拉力（方向的拉力（F FX X0 0）作用时，其变化情）作用时，其变化情况如图（况如图（c c）。此时电极矩的三个分量为）。此时电极矩的三个分量为在在X X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y Y、Z Z方向则不出现电荷。方向则不出现电荷。

12、第13页/共39页 晶体在晶体在Z Z轴方向力轴方向力F FZ Z的作用下，因为晶体沿的作用下，因为晶体沿X X方向方向和沿和沿Y Y方向所产生的方向所产生的正应变正应变完全相同，所以，正、完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿就表明，沿Z Z( (即光轴即光轴) )方向的力方向的力F FZ Z作用下，晶体不作用下，晶体不产生压电效应。压电常数：产生压电效应。压电常数：1323330ddd第14页/共39页2 2 压电陶瓷压电陶瓷 (1) 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应直流电场直流电场E剩余极化强度剩余极化强

13、度剩余伸长剩余伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前极化处理前(b)极化处理中极化处理中(c)极化处理后极化处理后 第15页/共39页 但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以强度总是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面

14、上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。极化程度，如图。 自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极极化方向极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图第16页/共39页 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方

15、向平行的压力F F，如图，陶，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状瓷片恢复原状( (这是一个膨胀过程这是一个膨胀过程) )，片内的正、负电荷之间的距，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由

16、电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。变为电能的现象，就是正压电效应。 极化方向极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F第17页/共39页 同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之

17、间距离也增大，化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。机械能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）虚线代表形变后的情况） 极化方向

18、电场方向第18页/共39页( (二二) ) 压电材料的主要特性压电材料的主要特性 1) 1)压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参数，与压电压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参数，与压电输出灵敏度有关。输出灵敏度有关。 2)2)弹性特性：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元弹性特性：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有频率和动态特性。件的固有频率和动态特性。 3)3)介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有介电常数：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。率下限。 4)4)机

19、械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量与输入机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量与输入能量之比的平方根，是衡量压电材料机能量之比的平方根，是衡量压电材料机电能量转换效率电能量转换效率的一个重要参数。的一个重要参数。 5)5)绝缘电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从绝缘电阻：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。而改善压电传感器的低频特性。 6) 6) 居里点：是指压电材料丧失压电特性的温度居里点：是指压电材料丧失压电特性的温度第19页/共39页三、压电式传感器测量电路三、压电式传感器测量电路1 1 等效电路等效电路具有一定电容的电荷源：具有一定电容的电荷源：

20、等效电容：等效电容：开路电压：开路电压：ACra0aoCqU 实际等效电路实际等效电路： QQ电极电极压电晶体压电晶体Ca(b)(a) 压电元件的等效电路压电元件的等效电路第20页/共39页 实际等效电路实际等效电路：icaCCCCaiRRR/0根据电荷平衡建立方程式根据电荷平衡建立方程式：idtCqu又又0Rui 则则：qidtiCR0两边取拉氏变换：两边取拉氏变换：)(1)()()()()(00sHCsRssQsIsQssIsICR第21页/共39页频率响应函数频率响应函数：CjRjH01)(幅频响应函数幅频响应函数：20)(1)(CRA相频响应函数相频响应函数：CRarctg01)(若作

21、用在压电晶片上的，作用力为若作用在压电晶片上的，作用力为：tFFsin0则相应表面电荷为：则相应表面电荷为：tqtDFFDqsinsin00第22页/共39页根据线性时不变系统的特性，其稳态输出：根据线性时不变系统的特性，其稳态输出：)(sin)(1)(sin)()(2000tCRqtAqti)(sin)1(112000tCRCqRiu输出电压值：第23页/共39页20)(1)(CRA当当CR01时，时，0)(;1)(0CRA 能实现不失真传输。能实现不失真传输。可见压电元件具有优良的可见压电元件具有优良的高频特性，低频特性。为高频特性，低频特性。为了改善其低频特性（降低了改善其低频特性（降低

22、下限截止频率），需有较下限截止频率），需有较大的大的R0或或C。而。而 ，即即压电元件需后接高输入压电元件需后接高输入阻抗的运算放大器。阻抗的运算放大器。iRR 0第24页/共39页三、压电式传感器测量电路三、压电式传感器测量电路2 2 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式qquuCC22 时间常数大，动态响应差，时间常数大，动态响应差，适合于慢变信号的测量。以电荷适合于慢变信号的测量。以电荷量输出的场合。量输出的场合。qquuCC22 时间常数小，动态响应好，适时间常数小，动态响应好，适合于快变信号的测量。以电压输出合于快变信号的测量。以电压输出的场合。的场合。第25页/共39页三、压电

23、式传感器测量电路三、压电式传感器测量电路3 3 测量电路测量电路1)压电传感器对测量电路的要求压电传感器对测量电路的要求:压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录，而需经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。示和记录，而需经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。2)前置放大器的作用：前置放大器的作用：阻抗变换阻抗变换( (高输入阻抗高输入阻抗 低输出阻抗低输出阻抗 ) )放大微弱信号放大微弱信号3)前置放大器的形式：前置放大器的形式：电压放大器：电阻反

24、馈；输出电压与输入电压成正比。电压放大器：电阻反馈；输出电压与输入电压成正比。电荷放大器：带电容负反馈的高增益运放；电荷放大器：带电容负反馈的高增益运放； 输出电压与输入电荷成正比。输出电压与输入电荷成正比。第26页/共39页电压放大器电压放大器)sin()1(11200tCRCAquAuy当当 很高时，输出信号的幅值：很高时，输出信号的幅值：CAqUo0其中其中icaCCCC问题：问题：输出电压与电缆电容有关。如果电缆电容变化，灵输出电压与电缆电容有关。如果电缆电容变化，灵敏度也随之变化。敏度也随之变化。输出：输出：第27页/共39页 电荷放大器电荷放大器由电荷平衡方程式：由电荷平衡方程式：

25、fffffifiifiicaiCquCCACAACCCAquAuuCuuCuCuuCCCuq则足够大，使当),()()()()(特点：输出电特点：输出电压与传感器的压与传感器的电荷量近似正电荷量近似正比，且只与反比，且只与反馈电容有关，馈电容有关，不受电缆电容不受电缆电容的影响。的影响。第28页/共39页五、压电式传感器的灵敏度五、压电式传感器的灵敏度1、电荷灵敏度：、电荷灵敏度：JQKQ式中：式中：Q电荷量；电荷量；J输入力学输入力学量量测量力测量力F时：时：ijijQndFFndFQK式中：式中：n晶片数目；晶片数目；dij纵向压电常数纵向压电常数测量加速度时：测量加速度时：mdaFdaQ

26、KijijQ式中：式中：m质量块质量；质量块质量；dij纵向压电常数纵向压电常数第29页/共39页五、压电式传感器的灵敏度五、压电式传感器的灵敏度1、电压灵敏度：、电压灵敏度：aQaSCUCKJCQJUK式中：式中：USC输出电压；输出电压；J输入力学量输入力学量测量加速度时：测量加速度时：aijaQUCmdCKK式中：式中：m质量块质量；质量块质量；dij纵向压电常数纵向压电常数 Ca压电元件的电容压电元件的电容第30页/共39页五、压电式传感器的应用五、压电式传感器的应用1、测力；、测力；2、测压力；、测压力；3、测加速度、测加速度六、应用举例六、应用举例1、测力传感器、测力传感器图图2-

27、34 YDS-78型压电式单向动态力传感器型压电式单向动态力传感器第31页/共39页123456p2、压电式压力力传感器、压电式压力力传感器1)组成：本体组成：本体(具体结构具体结构) 弹性敏感元件弹性敏感元件(一级敏感，膜片一级敏感，膜片) 压电转换元件压电转换元件(二级敏感元件，膜片二级敏感元件，膜片)第32页/共39页3、加速度传感器、加速度传感器第33页/共39页 集成压电式传感器集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。 脉搏计照脉搏计照片片 典型应用：典型应用： 脉搏计数探测脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量振动加速度测量 管道压力波动管道