第8章压电式传感器课件

1、第第8 8章章 压电式传感器压电式传感器 8.1 8.1 压电效应压电效应8.2 8.2 压电材料压电材料8.3 8.3 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路8.4 8.4 压电式传感器应用举例压电式传感器应用举例 压电式传感器压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应的工作原理是以某些物质的压电效应为基础，属于一种发电式传感器，压电效应是可逆的，压为基础，属于一种发电式传感器，压电效应是可逆的，压电式传感器是一种典型的电式传感器是一种典型的“双向传感器双向传感器”。 压电转换元件压电转换元件是一种典型的力敏元件，可测量是一种典型的力敏元件，可测量压力、压力、加速度、机械冲击、振动加速度

2、、机械冲击、振动等，广泛应用于等，广泛应用于声学、力学、医声学、力学、医学和宇航领域学和宇航领域，利用正压电效应可以制成压电电源和电压，利用正压电效应可以制成压电电源和电压发生器；利用逆压电效应可制成超声发生器和电声器件。发生器；利用逆压电效应可制成超声发生器和电声器件。 压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有要低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有250250左右。左右。8.1 8.1 压电效应压电效应 对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表

3、面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应。 这种机械能转变为电能的现象，称为“正压电效应”。 反之，在某些物质的极化方向上施加电场（加电压） ，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。 压电效应动画演示压电效应动画演示 具有压电效应的电介物质称为压电材料。 在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应都十分微弱。 石英晶体及钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。 l 压

4、电晶体（单晶）：包括压电石英晶体和其它压电单晶；l 压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体； 石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。 目前传感器中使用的均是以居里点为573、晶体结构为六角晶系的石英。 石英晶体的外形（a） 天然石英晶体；（b） 人工石英晶体；（c） 右旋石英晶体的理想外形m柱面 R大棱面 r小棱面 s棱界面 x棱角面8.1.1 8.1.1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 v 光轴： z 轴是晶体的对称轴，此轴可用光学方法确定，光线沿 z 轴通过晶体，不产生双折射现象，因而以它作为基准轴，故称为光轴（中性轴）；v 电轴： 经过六棱柱棱线

5、垂直于光轴 z 的 x 轴，此轴上的压电效应最强，故称为电轴，共有三个；v 机械轴： 垂直于光轴 z 和电轴 x 的 y 轴，在电场作用下沿该轴方向的机械变形最明显，故称为机械轴（力轴），共有三个。v 当在电轴 x 方向施加作用力Fx时，在与电轴（x）垂直的平面上将产生电荷 qx ，其大小为 xxfdq11 d11 x 轴方向受力的压电系数； （d11 =2.3110-12C/N，对右旋石英晶体，受压时取+，受拉时取-）v 若在同一切片上，沿机械轴y 方向施加作用力fy ，则仍在与x 轴垂直的平面上将产生电荷qy： yyyfhldfhldq1112 d12y 轴方向受力的压电系数，因石英轴对称

6、，所以d12 =d11； l，h晶体片的长度和厚度。 电荷qx 和qy 的符号由受压力还是拉力决定。 qx 的大小与晶体片几何尺寸无关，而qy 则 与晶体片几何尺寸有关。 当石英晶体未受外力作用时（不产生形变），带有4个正电荷的硅离子和带有22个负电荷的氧离子在 xy 平面上的投影正好分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等，互成120夹角的电偶极矩P P1、P P2和P P3（矢量）。P Pql l，q为电荷量，l 为正、负电荷之间距离。方向从负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P P1P P2P P3=0，电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 v

7、当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时（厚度变形），将产生如图b所示压缩变形，正、负离子的相时位置随之变动，正、负电荷中心不再重合。硅离子（1）被挤入氧离子（2）和（6）之间，氧离子（4）被挤入硅离子（3）和（5）之间，电偶极矩在 x 轴方向的分量（P1P2P3）x 0，（P1P2P3）y= 0，（P1P2P3）z= 0，结果在x轴负向呈负电荷，在x 轴正向呈正电荷； 如果在 x 轴方向施加拉力（长度变形），如图c所示。结果与之相反，在x 轴正向呈负电荷，在x 轴负向呈正电荷。 这种沿x轴施加力，而在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。v 当石英晶体受到沿 y 轴方向的压力作用

8、时（长度变形），晶体产生如图c所示变形。电偶极矩在x轴方向的分量（P1P2P3）x3时就可时就可 以以 认为认为 Uim与与 无关。无关。 icamimCCCdFU)( 结论：结论：2.电荷放大器 电荷放大器是一个有反馈电容Cf 的高增益运算放大器。当略去Ra 和Ri 并联等效电阻R后，压电传感器常使用的电荷放大器可用如图所示的等效电路表示。图A为运算放大器的开环增益。由于运算放大器具有极高的输入阻抗，因此放大器的输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf 充电，充电电压接近放大器的输出电压，即 fCfCqUUo式中 Uo 放大器输出电压； UCf 反馈电容两端的电压n输出电压与电缆电容Cc无

9、关（反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好）n与q成正比n这些优点使得压电传感器基本上都用电荷放大器作为转换电路。 AuoCiqCaCeCr优点：压电转换元件具有自发和可逆两种重要性能，体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高，特别适合于动态测量。缺点：无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度在250 左右。 广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的各种传感器，都可称为压电式传感器，它们已被广泛地应用在工业、军事和民用等领域。 8.4 8.4 压电式传感器应用举例压电式传感器应用举例 1 1. .压电式压力传感器压电式压力传感

10、器 2 2. .压电式加速度传感器压电式加速度传感器 3 3. .用压电式传感器测表面粗糙程度用压电式传感器测表面粗糙程度4 4. .压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 5 5. .压电式煤气灶电子点火装置压电式煤气灶电子点火装置 6 6. .微重力压电晶体生物传感器微重力压电晶体生物传感器 7 7. .压电血压传感器压电血压传感器 8 8. .医用电子鼻医用电子鼻 利用正压电效应可研制成压电电源（煤气灶和汽车发动机的自动点火装置等多种电压发生器）；在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的有关物理量，例如压力、位移、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学

11、、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。 利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬声器等。 利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声纳和压电声表面波器件等。 压电式测力传感器在直接测量拉力或压力时，通常多采用双片或多片石英晶体作压电元件。按测力状态分为单向力、双向力和三向力传感器。 1 1压电式压力传感器压电式压力传感器 压力传感器图片压力传感器图片 单向压电石英力传感器的结构如图所示。压电元件采用xy（即0X）切型石英晶片，利用其纵向压电效应，通过d11实现力电转换。它用两块晶片（81mm）作传感元件，被测力通过传力上盖（1）使石英晶片（2）沿电轴方

12、向受压力作用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，两块晶片沿电轴方向并联叠加，负电荷由片形电极（3）输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。两片并联可提高其灵敏度。压力元件弹性变形部分的厚度较薄，其厚度由测力大小决定。这种结构的单向力传感器体积小、重量轻（仅10g），固有频率高（约5060kHz），可检测高达5000N的动态力，分辨率为10-3 N。 1). 单向力传感器单向力传感器 1 传力上盖2 石英晶片3 电极4 底座5 电极引出插头 6 绝缘材料双向力传感器双向力传感器 双向力传感器基本用于测量垂直分力Fz 与切向分力Fx 或Fy，以及测量互相垂直的两个切向分力，即Fx和Fy

13、。无论哪一种测量，传感器的结构形式相似。图（a）为双向压电石英晶片的力传感器的结构。两组石英晶片分别测量两个分力，下面一组采（a）双向力石英传感器 （b）厚度剪切的yx（ 0 Y ）切型 用xy（0X）切型，通过 d11 实现力电转换，测量轴向力Fz ；上面一组采用 yx（0Y）切型，晶片的厚度方向为y 轴方向，在平行于x 轴的剪切应力6（在 xy 平面内）的作用下，产生厚度剪切变形。所谓厚度剪切变形是指晶体受剪切应力的面与产生电荷的面不共面，如图（b）所示。这一组石英晶体通过 d26 实现力电转换来测量Fy 。三向力传感器三向力传感器 （a）结构 （b）压电组件 （c） x，y，z双晶片 压

14、电组件为三组双晶片石英叠成并联方式。它可以测量空间任一个或三个方向的力。三组石英晶片的输出极性相同。其中一组取xy（0X）切型晶片，利用厚度压缩纵向压电效应 d11 来实现力电转换，测量主轴切削力Fz ；另外两组采用厚度剪切变形的yx（0Y）切型晶片，利用剪切压电系数 d26 来分别测量 Fy 和 Fx 。由于 Fy 和 Fx 正交，因此，这两组晶片安装时应使其最大灵敏轴分别取向 x 和 y 方向。 2 2）压电式压力传感器测量冲床压力）压电式压力传感器测量冲床压力 3 3）压电式压力传感器测量金属加工）压电式压力传感器测量金属加工 切削力切削力 图8.11 冲床压力检测图8.10 2压电式刀

15、具切削力测量示意图 2.压电式加速度传感器 用于测量加速度的传感器种类很多，压电式加速度传感器是一种最常用的加速度计（80以上）。具有一系列优点：体积小，重量轻，坚实牢固，有较好的频率响应（几千赫几十千赫），如果配以电荷放大器，低频响应也很好（可低至零点几赫），测量范围大（加速度为10-510-4 g，g 为重力加速度 9.8ms2）等。加速度传感器图片 因为 F = ma （m 为重块质量，a 为加速度），当传感器选定后，m为常数，所以传感器输出电荷为 madFdQijij Q 与加速度 a 成正比。 因为，压电传感器的输出电压为 ，若传感器中电容量 C 不变，那么 ，因此，可以用电压值表示

16、测量的加速度。 CQU CmadUij 压电元件（一般由两片压电晶片并联）置于基座上，其上面加一块比重较大的质量块，质量块上用弹簧压紧，从而对压电晶片施加预应力。 测量加速度时，被测物件与传感器刚性固定在一起，质量块也受加速度的作用产生一个与加速度成正比的惯性力 F 作用于压电元件上，因而产生电荷Q。3 3用压电式传感器测表面粗糙程度用压电式传感器测表面粗糙程度图8.14 表面粗糙度测量 4 4压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 图8.14 压电式玻璃破碎报警器电路框图 图8.13 BS-D2压电式玻璃破碎传感器 5 5压电式煤气灶电子点火装置压电式煤气灶电子点火装置 图8.15 压电式

17、煤气灶点火装置 小 结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去生极化现象，同时在它的两个表面上产生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，掉后，电介质又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象被称为成正比，这种现象被称为压电效应压电效应。 压电传感器压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。某些电介质的压电效应。 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号却很微弱，因此其一般不能直接显示和记录。所以，压电传感器要求其一般不能直接显示和记录。所以，压电传感器要求测量电路测量电路的的前级输入端要有足够高的阻抗，以防