第六章压电式传感器PPT课件

1、压电元件机械量电量电能机械能顺压电效应顺压电效应逆压电效应逆压电效应第1页/共47页 在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。 压电材料的主要特性参数有： 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。 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。 二、压电材料第2页/共47页 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率下限。 机械耦合

2、系数：它的意义是，在压电效应中，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，这是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 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。 第3页/共47页第4页/共47页（一）（一） 石英晶体石英晶体 石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。 由图可见，在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里

3、点。 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系数相对于20的d11温度变化特性6543210100 200 300400 500 600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数的温度特性第5页/共47页（二）（二） 压电陶瓷压电陶瓷 1 1、 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和

4、机械强度不如石英晶体。2 2、 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 第6页/共47页三、石英晶体（三、石英晶体（SiOSiO2）的压电效应的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为光轴；经过正六面体棱线，

5、并垂直于光轴的XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZXY(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX通常把沿电轴X XX X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y YY Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z ZZ Z方向受力则不产生压电效应。第7页/共47页1 1、石英晶体产生压电效应原因 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Si4+和氧离子O2-在XOY平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代

6、表2O2-。 (b)(a)+-YXXY+第8页/共47页 当作用力F FX X=0=0时，正、负离子（即SiSi4+4+和2O2O2-2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120120夹角的电偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，此时正负电荷中心重合，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X X方向的压力（F FX X000在Y Y、Z Z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=0=0由上式看出，在X X轴的正向出现正电荷，在Y

7、Y、Z Z轴方向则不出现电荷。Y+-XP1P2P3FXXY+FX+-P1P2P3第9页/共47页（P1+P2+P3）X00在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。当晶体受到沿Y Y ( (机械轴) )方向施压力F FY Y 0 0 时， ( (P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3) )X X 0 0在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。FYXY+-P1P2P3Y+-X-+P2P3P1+FYFYFY与沿X X方向施压力（F FX X01，那么由Uim式可知，理想情况下输入电压幅值Uam为 icemamCCCdFU第29页/共47页2112222221)(1)

8、()(1iceiceicemicemamimCCCRCCCRCCCdFCCCRRdFUU1)(11iceCCCR112tg第30页/共47页 p117页图6-10所示，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。131时，前置放大器的输出电压随频率变化不大。压与作用力的频率有关时，可近似认为输入电31即说明压电传感器的高频响应比较好，所以用于高频交变力的测量。第31页/共47页2 2、电荷放大器 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

9、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Rd和Ri并联电阻。 第32页/共47页fcfoCquu由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压 ficeoCACCCAqu)1 ( 通常A=104108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为 foCqu第33页/共47页 由上式可见，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，这是电荷放大器的最大特点。 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好，在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为100104p

10、F。 第34页/共47页第三节 压电传感器的应用一、一、压电力学传感器压电力学传感器+ + + + + + +- - - - - - - 力Fx第35页/共47页 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。 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，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050N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。 第36页/共47页压电式金属加工切削力测

11、量 图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时， 切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。 压 电 传 感 器输 出 信 号第37页/共47页二、二、压电加速度传感器压电加速度传感器 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。 第38页/共47页三、压电式玻璃破碎报警器三、压电式玻璃破碎报警器BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器， 它利用压电元件对振

12、动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为1520 k。 第39页/共47页 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，

13、驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。 执行机构比较带通滤波放大传感器玻璃第40页/共47页利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，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。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。 流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响

14、。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况四、四、 压电式流量计压电式流量计第41页/共47页 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、成本低等，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。 脉搏计照片 典型应用： 脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等 五、集成压电式传感

15、器五、集成压电式传感器第42页/共47页 力敏元件主要性能指标：力敏元件主要性能指标：压力范围 1kPa灵敏度 0.2V/P非线性度 1 F.S频率响应 11000Hz标准工作电压 4.5V（DC）扩充工作电压 315V(DC)标准负载电阻 2.2k扩充电阻 1k12k外形尺寸 12.77.6重 量 1.5集成压电传感器连线电路集成压电传感器连线电路输出力敏元件地线R=2.2k 电源集成压电传感器连线电路OO第43页/共47页六、压电式传感器在自来水管道测漏中的应用六、压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上A、B两点放两只传感器，A、B距离为L（已知或可测），从A、B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和tB（=LB/V），两者时间差为 t=tA- tB=（LA- LB）/V （1）又 L =LA+LB （2）LABO点LALB地 面 1、检测原理、检测原理第44页/共47页因为管道埋设在地下，看不到O点，也不知道LA和LB的长度，已知的是L和V，如果能设法求出t，则联立（1）+（2）得： LA =(L+tV)/2 （3）或者将（1）-（2）得： LB=（L-tV）/2 （4） 关键是确定t，就可准确确定