传感检测技术及其应用 第7章

1、2022年3月25日2022年3月25日21.1.掌握压电式传感器的工作原理；掌握压电式传感器的工作原理；2.2.了解压电式传感器的等效电路；了解压电式传感器的等效电路；3.3.了解压电式传感器的测量电路；了解压电式传感器的测量电路；4.4.理解理解压电式传感器的应用。压电式传感器的应用。 压电式传感器是一种可逆型换能器，它既压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。电效应。 2022年3月25日3第第1 1节节 压电效应及压电材料压

2、电效应及压电材料 压电式传感器是一种可逆型换能器，既可压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。 某些晶体在外力作用下，不仅产生形变，某些晶体在外力作用下，不仅产生形变，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平衡状态，这种现象称为衡状态，这种现象称为压电效应压电效应。 一、一、压电效应压电效应2022年3月25日4 与压

3、电效应相反，如果将具有压电效应的晶体与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外力作用导致物体机械变形现象称为力作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应逆压电效应。 二、压电材料 具有压电效应的敏感功能材料称为具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料压电材料。压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大；高电阻率和介电系数；稳定性好。；高电阻率和介电系数；稳定性好。 胶和压电塑料胶和压电塑料有机压电材料压电橡有机压电材料压电橡压电多晶压电陶瓷压电多晶压电陶瓷其它压电单

4、晶体其它压电单晶体石英晶体石英晶体压电单晶压电单晶压电材料压电材料 2022年3月25日5光轴光轴：z z轴，与晶体纵轴方向轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿一致。光线沿z z轴方向通过晶轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故作用力不产生压电效应，故又称为又称为中性轴中性轴。电轴电轴：x x轴，通过两个相对的轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。最强的压电效应。1.1.石英晶体石英晶体：中间为六角形棱柱，两端为对称的棱中间为六角形棱柱，两端为对称的棱锥，共锥，共

5、3030个晶面。个晶面。 2022年3月25日6机械轴机械轴：y y轴，垂直于轴，垂直于x x轴和轴和z z轴所在平面的轴线。轴所在平面的轴线。在电场作用下，在电场作用下，y y轴具有最明显的机械变形。石英轴具有最明显的机械变形。石英晶体晶体z z轴仅一个，轴仅一个，x x轴和轴和y y轴各有轴各有3 3个。个。纵向压电效应纵向压电效应：沿沿x x轴施加作用力，晶体表面产轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷出现在与生电荷的现象。电荷出现在与x x轴相垂直的表面轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：上。产生的电荷量为： Q Qx x= =d dx x F Fx x 式中式中 d dx x纵向压

6、电常数；纵向压电常数； F Fx x作用力。作用力。 2022年3月25日72022年3月25日8横向压电效应横向压电效应：沿沿y y轴施加作用力，晶体表面产生电轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷仍出现在与荷的现象。电荷仍出现在与x x轴相垂直的表面上。产轴相垂直的表面上。产生的电荷量为生的电荷量为abFdssFdQyyyxyyy 式中式中d dy y横向压电常数；横向压电常数；F Fy y作用力；作用力； s sx x、s sy y 分别为与分别为与x x轴、轴、y y轴相垂直的表面面积；轴相垂直的表面面积；a a x x轴向厚度；轴向厚度；b b y y轴向长度。轴向长度。 由于力

7、所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷量与晶体尺寸有关。量与晶体尺寸有关。2022年3月25日9yxyFabdQ 根据石英晶体轴对称的条件，根据石英晶体轴对称的条件，d dy y= = d dx x，从而：，从而：即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。电荷极性相反。切向压电效应切向压电效应：沿：沿x x轴或轴或y y轴施加剪切力，晶体表面轴施加剪切力，晶体表面产生电荷的现象。沿产生电荷的现象。沿x x轴的剪切力产生的电荷出现在轴的剪切力产生的电荷出现在与与y y轴垂直的表面上（电荷量与剪

8、切力成正比，与晶轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶片尺寸无关）；沿片尺寸无关）；沿y y轴的剪切力产生的电荷出现在与轴的剪切力产生的电荷出现在与x x轴垂直的表面上。轴垂直的表面上。 2022年3月25日10 天然或人工合成石英晶体（天然或人工合成石英晶体（S Si iO O2 2），具有良好），具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小（的机械强度和压电效应。压电系数较小（d dx x =2.3=2.3 1010-12-12C/NC/N），但压电系数的温度稳定性好。在），但压电系数的温度稳定性好。在2020200200 C C内，温度每升高内，温度每升高1 1 C C，压电系数仅减小

9、，压电系数仅减小0.016%0.016%，升高到，升高到200200 C C 时，仅减小时，仅减小5%5%，达到，达到573573 C C 时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为电常数为4.54.5。 2022年3月25日11 其它压电晶体有铌酸锂（其它压电晶体有铌酸锂（L Li iN Nb bO O3 3），居里点），居里点12101210 C C，具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆，具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆，抗冲击性差。抗冲击性差。 钽酸锂（钽酸锂（L Li iT Ta aO3O3），居里点），居里点6

10、66666 C C，压电常数为石，压电常数为石英的英的3 3倍。倍。 酒石酸钾钠（酒石酸钾钠（N Na aKCKC4 4H H4 4O O6 6 4H4H2 2O O），压电系数较大），压电系数较大（d dx x=3=3 1010-9-9 C/N C/N ），但机械强度低，机械强度、电），但机械强度低，机械强度、电阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。 2022年3月25日122.2.多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷 （压电陶瓷）（压电陶瓷） 由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有

11、压电性。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。电元件，大多采用压电陶瓷。 钛酸钡（钛酸钡（B Ba aT Ti iO O3 3） 由碳酸钡由碳酸钡B Ba aCOCO3 3和二氧化钛和二氧化钛T Ti iO O2 2 按按1 1 ：1 1摩尔比摩尔比混合混合烧结而成。压电常数约为石英的烧结而成。压电常数约为石英的5050倍，介电常数高倍，介电常数高(1200)(1200)，居里点约，居里点约120120 C C。 2022年3月25日13锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZTPZT）系

12、列压电陶瓷）系列压电陶瓷 居里点居里点300300 C C左右，压电常数左右，压电常数7070800800 1010-12-12C/NC/N，性，性能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、高压。高压。 3.3.高分子有机压电材料高分子有机压电材料 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVFPVF2 2）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、聚氯乙）、聚氯乙烯（烯（PVCPVC）、聚偏二氟乙烯（）、聚偏二氟乙烯（PVDFPVDF）等。易于大量）等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。用于微压和

13、机器人触觉。用于微压和机器人触觉。 4.4.压电半导体压电半导体 具有压电和半导体两种特性，易于集成。具有压电和半导体两种特性，易于集成。 2022年3月25日142022年3月25日152022年3月25日16第第2 2节节 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 金属膜FF a a) ) 压电晶片压电晶片b b) ) 等效电荷源等效电荷源c c) ) 等效电压源等效电压源Ca Ra QCa Ra ua 压电器件相当于具有一定电容的压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电荷和电容为：电荷源，其电荷和电容为：电容两极板间开路电压为：电容两极板间开路电压为：dACa0 dFQ aaCQU

14、aaaaaaaCRjQjCRjUCjI 1 1等效电路中电流等效电路中电流一、一、压电元件的等效电路压电元件的等效电路2022年3月25日17若考虑负载（测量电路），等效电路如下：若考虑负载（测量电路），等效电路如下：a a) ) 电荷源等效电路电荷源等效电路Ca Ra QCc Ri Ci b b) ) 电压源等效电路电压源等效电路Ca Ra ua Cc Ri Ci 其中其中，Ra、Ca压电元件的电阻和电容；压电元件的电阻和电容；Cc为电为电缆缆寄生电容；寄生电容；Ci为后续测量电路的输入电容。为后续测量电路的输入电容。2022年3月25日18二、二、压电元件放大电路压电元件放大电路 压电元件

15、内阻高，电荷信号微弱。因此要前置压电元件内阻高，电荷信号微弱。因此要前置放大器。前置放大器要具备如下两个特点：放大器。前置放大器要具备如下两个特点：（1）将压电元件的高阻抗输出转换为低阻抗输出，）将压电元件的高阻抗输出转换为低阻抗输出，使之能用一般方法进行信号处理；使之能用一般方法进行信号处理；（2）同时对弱信号进行放大，使之具有负载驱动能）同时对弱信号进行放大，使之具有负载驱动能力力 。 前置放大器的种类有电压放大器和电荷放大器。前置放大器的种类有电压放大器和电荷放大器。2022年3月25日19Ca Ra 电压放大电路ua Cc Ri Ci -Aui uo 1.1.电压放大器电压放大器 在压

16、电元件在压电元件等效电路中等效电路中，Ca和和Cc、Ci相比很小。相比很小。而而Rc和和Ra、Ri相比很大，在并联电路中可以忽略，等相比很大，在并联电路中可以忽略，等效电阻和电容分别为：效电阻和电容分别为：icaCCCC 其中其中)(1 1)(1)(11icaicicaCCRjCjRCjCCjRCCjRCjZ 总阻抗为总阻抗为aiaiRRRRR 当压电元件受到交变力当压电元件受到交变力F=Fmsint2022年3月25日20输入端电压幅值：输入端电压幅值：电路中的电流为电路中的电流为RCjCCjQjRCjuCCjCjIicaica 1)(1 1)(1 RCjRQjRCjuRCjZIuaaCRi

17、 112223322211CRFRdCRRQUmim 输入端电压相位：输入端电压相位：)arctan(2)(RC 输入端电压输入端电压电压放大器输出电压幅值电压放大器输出电压幅值233)(1RCAFRdAUUmimom 式中式中A电压放大器的电压放大倍数。电压放大器的电压放大倍数。2022年3月25日211)(2 RC micamimFCCCdFCdU 3333icauCCCdk 33，则：，则：当作用力频率当作用力频率 与电路时间常数与电路时间常数RC足够大时，足够大时，qUim、k ku u、Uom与与C Cc c有关，当改变电缆长度或布线有关，当改变电缆长度或布线 方法时，方法时，U U

18、imim、k ku u 、Uom都会改变，从而导致测量误都会改变，从而导致测量误差。差。 显然：显然：233)(1RCRddFdUkmimu icammimomCCCAFdCAFdAUU 3333,压电元件的电压灵敏度压电元件的电压灵敏度0)( 2022年3月25日22q若压电器件上作用静态力（若压电器件上作用静态力（ = 0= 0），），Uim和和ku均等均等于于0 0。即压电传感器不能测量静态力。即压电传感器不能测量静态力。 q若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持，以维持( RC)2 1 1，减少，减少 对对Uim和和ku的影响。

19、显然的影响。显然增加电容增加电容C会降低灵敏度，而一般会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增很大，故只有增加加Ri。Ri越大，低频响应越好。下限频率：越大，低频响应越好。下限频率：CRfi 21 （一般（一般RaRi）2022年3月25日23q 对动态测量，对动态测量， 较大，易满足较大，易满足( RC)2 1，此时，此时Uim和和ku 近似与近似与 无关，即压电传感器具有良好的高无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。频响应特性。 2.2.电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（器，其输入阻抗极高（1

20、0101212 以上）。以上）。 电荷放大电路电荷放大电路Ca Ra QCc Ri -Aui uo Cf Ci 2022年3月25日24电荷放电荷放大电路大电路Ca Ra QCc Ri Ci -Aui uo (1+A)Cf 其中其中C = Ca + Cc + Ci + (1+A)Cf 。 放大器的输出电压幅值为：放大器的输出电压幅值为： 把反馈电容把反馈电容CfCf等效到放大器输入端后，其放大器等效等效到放大器输入端后，其放大器等效电如右图，电如右图，同样可求得输入端电压幅值：同样可求得输入端电压幅值：fmficammimCAFdCACCCFdCFdU)1()1(333333 ficamimo

21、mCACCCFAdAUU)1(33 2022年3月25日25fmomCFdU33 若若A A足够大（一般足够大（一般100dB100dB以上），则：以上），则： (1+A)Cf Ca + Cc + Ci 式中负号表示放大器的输出信号与输入信号反相。式中负号表示放大器的输出信号与输入信号反相。上式表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压上式表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与与外力成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc和和Ci无关。电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度，无关。电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度，这是电荷放大器的突出优点。这是电荷放大器的

22、突出优点。 2022年3月25日26 由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻一个大的反馈电阻R Rf f（约（约10108 8101012 12 ），以稳定放），以稳定放大器的直流工作点。大器的直流工作点。 电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与器反之；但电压放大器下限频率较高，灵

23、敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。2022年3月25日27能量转换型（发电型）传感器；能量转换型（发电型）传感器； 体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率， 得到较宽的工作频率范围；得到较宽的工作频率范围； 灵敏度高，稳定性好。对应用纵向压电效应的传灵敏度高，稳定性好。对应用纵向压电效应的传 感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与 传感器刚度无关；传感器刚度无关； 有比较理想的线性，且通常没有滞后现象；有比较理想的线性，且通常没有滞后现象；低频特性较差，主要用于动态测量；低频特性较差，主要用于动态测量；存在横向效应，影响测量结果；存在横向效应，影响测量结果；应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、 低噪声电缆；低噪声电缆； 工作原理可逆。工作原理可逆。3.3.压电式传感器的特点压电式传感器的特点2022年3月25日28三、三、测量电路测量电路 在应用中，压电传感器测量电路的组成如图在应用中，压电传感器测量电路的组成如图7-11所示。所示