传感器章压电式传感器dPPT课件

1、6.1 压电效应及材料6.1.1 压电效应 在离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力而产生形变时，就会引起它内部的正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q且其电荷密度与外应力张量T成正比：为压电常数矩阵ddT 当外力消失，又恢复不带电状态；当外力方向改变，电荷极性随之改变。这种现象称为正压电效应，简称压电效应。第1页/共51页逆压电效应 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起它内部的正负电荷中心相对转移而导致电介质产生形变，且其应变S与外电场强度E成正比：的转置矩阵为逆压电常数矩阵，是ddEdStt 这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩

2、。 可见，具有压电特性的电介质(压电材料)能实现机电能量的相互转换F 压电效应压电晶体第2页/共51页 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漏、消失。第3页/共51页6.1.2 压电材料主要特性参数： 压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数，影响压电输出的灵敏度； 弹性常数：刚度决定压电器件的固有频率和动态特性 介电常数：决定压电器件的固有电容，固有电容影响压电传感器的频率下限（C越大，频率下限就越低）。 机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换效率。是转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根。 电

3、阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的低频特性。 居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度。即工作温度上限。第4页/共51页6.1.2.1压电晶体 单晶体结构：SiO2。正六面体。 各向异性： 由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电效应。l纵轴z：光轴，沿z轴方向的作用力不产生压电效应。l电轴：x轴，电轴，垂直于此轴的面上压电效应明显。纵向压电效应。l机械轴：y轴，切割方向，电场作用下沿该轴方向的机械变形最明显。横向压电效应。第5页/共51页石英晶体压电模型 外力0： 正负离子分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极距P1，P2，P3。 P=ql，l是正负电荷之

4、间的距离。此时正负电荷重心重合， 矢量和P1+P2+P3=0。晶体表面不产生电荷，呈中性。第6页/共51页 Fx拉力（ Fy 压力）： 晶体沿x方向压缩变形，正负离子相对位置变动。正负电荷重心不再重合， P1减小，P2，P3增加，使电偶极距在x方向上的分量不等于零，在x轴正方向出现负电荷；电偶极距在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。 Fx压力（ Fy 拉力）： 晶体沿y方向压缩变形，P1增大，P2，P3减小。电偶极距x方向上的分量不等于零，x轴正方向出现正电荷；电偶极距在y方向上分量仍为零，不出现电荷。 Fz0：晶体在x,y方向产生的形变完全相同，正负电荷重心重合，电偶极距矢量和等于零，晶体不

5、会产生压电效应。第7页/共51页石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形第8页/共51页天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续） 第9页/共51页石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装第10页/共51页石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振） 石英晶体在振荡电路中工作时，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。晶振第11页/共51页2. 其它压电单晶 锂盐类压电和铁电单晶材料。 时间稳定性好，居里点温度高达1200C，在高温、强辐射条件下仍具有良好的压电效应，且机械性能好，同时具有光电、声光效应。不足之处是质地脆，抗机械和热冲击性差。

6、第12页/共51页6.1.2.2 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）。 压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低，温度稳定性和机械强度都不如石英。第13页/共51页 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压

7、电性(如图6.4所示)。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列如图6.4(中)；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性如图6.4(右)。 1. 压电陶瓷的极化处理第14页/共51页2. 常用压电陶瓷常用压电陶瓷(书书P138表表61) 压电陶瓷外形压电陶瓷外形第15页/共51页无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） 第16页/共51页6.1.2.3 新型压电材料1、 压电半导体 硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(Zno)、硫化镉(CdS)、碲

8、化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。 显著特点：具有压电效应，又有半导体特性，可同时利用将两者结合，集元件与电路于一体，形成新型集成压电传感器系统。 聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。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。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。第17页/共51页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 第18页/共51页高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制 第19页/共51页可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波

9、形分析及报警的高分子压电踏脚板 第20页/共51页压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 第21页/共51页6.2.2 压电方程及压电常数矩阵（略） 书P141图6-7第22页/共51页6.3 等效电路及测量电路6.3.1. 等效电路 相对介电常数为r，极化面积为A，厚度为t的压电片的两电极出现等量异号的电荷，中间为绝缘体，可视为一个自源电容器：tACra0aaCQU(a) 当需要压电器件输出电压时，可等效为与电容串联的电压源，开路状态输出电压及电压灵敏度为：FCQFUKaau第23页/共51页(b)当需要压电器件输出电荷时，可等效为与电容并联的电荷源，开路状态输出电荷及电荷灵敏度为：aaUCQ F

10、UCFQKaaqKu与Kq之间存在如下关系：aquCKK 以上为理想等效电路，只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路条件下成立。第24页/共51页实际等效电路 考虑连接电缆分布电容Cc，放大器输入电阻Ri 和电容Ci ，压电传感器泄露电阻Ra的影响。图6.9 压电传感器等效电路和测量电路 (a)电压源； (b)电荷源第25页/共51页6.3.2 测量电路测量电路的主要作用： 压电传感器内阻较高，输出能量较小，测量电路需要高输入阻抗前置放大器。 阻抗匹配：将高输出阻抗变换为低输出阻抗； 信号放大：放大传感器输出的微弱信号（电压、电荷）。常用的测量电路形式： 前置放大器：电压放大器、电荷放

11、大器第26页/共51页6.3.2.1 电压放大器（阻抗变换器）)(33/压电陶瓷FdQCCCRRRRRiciaiatFFmsin压力tFCdFCdCQUaaaasin/3333压电器件的输出电压为：1. 压电输出特性第27页/共51页,故回路输出电压及灵敏度为：RCjRjdFUKRCjRjFdUtut1,13333/1RCjRIZIUtaaCjZUI1回路输出电压：灵敏度的幅值和相位为：,1233RCRdFUKtum)arctan(2RCaicCCCC令：第28页/共51页理想情况下时：1,icaiaCCCRRR无关与频率，认为时通常，测量电路时间常数测量回路角频率相对电压灵敏度：与频率无关*

12、11122112*33*31)(1)(1)(1umumumumicaumKRCRCRCKKkKCCCdK2. 动态特性输出电压灵敏度：第29页/共51页从图中分析： (1) 高频特性 当 1时，即当回路时间常数一定时，被测量频率越高，输出电压灵敏度越接近理想状态。表明器件高频响应特性好。 （2）低频特性当 1时，即当回路时间常数一定时，被测量频率越低，输出电压灵敏度越偏离理想状态。 动态误差=(k-1)*100%越大。相位角误差也大。 为保证低频工作时满足一定的精度，必须增加时间常数RC。途径一：增大C，但Kum将减小，不可取；途径二：增大R=RaRi/(Ra+Ri)，即要求放大器的输入电阻R

13、i足够大。第30页/共51页 设计和使用时应注意设计和使用时应注意: (1) 特性曲线显示了被测角频率特性曲线显示了被测角频率(=2f)、放大器、放大器输入电阻输入电阻Ri和动态误差和动态误差或相位角误差之间的关系。或相位角误差之间的关系。因此在设计和应用压电传感器时，可因此在设计和应用压电传感器时，可根据给定的精度根据给定的精度，合理选择，合理选择Ri和和f 。 (2) 由于采用电压放大器的压电传感器，其输出由于采用电压放大器的压电传感器，其输出电压受电缆分布电容电压受电缆分布电容Cc的影响。压电传感器与前置放的影响。压电传感器与前置放大器之间大器之间连接电缆不能随意更换连接电缆不能随意更换

14、，否则将偏离原标定，否则将偏离原标定的灵敏度，引入测量误差。的灵敏度，引入测量误差。 解决办法：将放大器放入传感器中。解决办法：将放大器放入传感器中。 电压放大器电路简单、成本低、工作可靠。但不电压放大器电路简单、成本低、工作可靠。但不能用于静态测量。能用于静态测量。第31页/共51页1. 工作原理和输出特性 电荷放大器将压电器件高内阻的电荷源转换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使输出电压正比于输入电荷。且传感器的灵敏度不受电缆变化影响。 输入阻抗10101012欧，输出阻抗小于100欧。 优点：在一定条件下，传感器灵敏度与电缆长度无关。 电荷放大器实际是具有深度负反馈的高增益放大器

15、，等效电路如下页图。 反馈电容Cf 、高增益运算放大器A，开环增益足够大，运放输入端电流几乎为零，则推导得：6.3.2.2 电荷放大器第32页/共51页只与反馈电容有关输出灵敏度：fuCK1pFCCQUCCCCCAACCAAQUffoicaffo48410100)(1,10101一般取则：当其中，结论：电路线性好，电缆对性能无影响 反馈电容Cf 、高增益运算放大器A，开环增益足够大，运放输入端电流几乎为零，则推导得：第33页/共51页2. 高低频限高低频限高频上限高频上限：kHzCCRCCRfcaccacH18021可高达都很小，因此上限频率、由于低频下限：)(10102141准静态故低频下限

16、可达可做得很大，运放的时间常数HzCRCRfffffL第34页/共51页四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .第35页/共51页上图所示的四通道电荷放大器指标上图所示的四通道电荷放大器指标（参（参考东方振动和噪声技术研究所资料）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： 计算机或手动第36页/共51页超小型电荷放大器模块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

17、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：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第37页/共51页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第38页/共51页其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）第39页/共51页6.4 压电式传感器及其应用 凡是利用压电材料的各种物理效应构成的传感器均称为压电传感器；1.力电转换的变形方式(P148表65) 受力及变形方式常用：厚度变形的压缩式、剪切变形的剪切式第40页/共51页多片压电材料的连接(a)并联， U不变，2Q

18、 常用并联；(b) 串联，Q不变，2U2q2U2. 压电元件的结构和组合形式 压电传感器在压力较低时线性度不好，因此加入预加力，称预载，消除非线性，同时提高刚度。只有加预载才能测量拉力、交变力、剪力、扭矩。第41页/共51页连接连接方式方式特点特点说明说明备注备注并联并联电压相等电压相等电容相加电容相加电荷相加电荷相加传感器时间常数增大，传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适电荷灵敏度增大，适用于电荷输出、低频用于电荷输出、低频信号测量的场合信号测量的场合每两片晶每两片晶层中间夹层中间夹垫金属片垫金属片作电极，作电极，引出导线引出导线串联串联电荷相等电荷相等电压相加电压相加电容减小电容减小传感

19、器时间常数减小，传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适电压灵敏度增大，适用于电压输出、高频用于电压输出、高频信号测量及回路高输信号测量及回路高输入阻抗的场合入阻抗的场合晶片之间晶片之间用导电胶用导电胶粘结，端粘结，端面用金属面用金属垫片引出垫片引出导线导线表66 压电片串并联组合的特点第42页/共51页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. 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。 粘贴位置第43页/共51页高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块 将 厚 约 0 . 2 m m 左 右 的PVDF薄膜裁制成10 20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，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