第6章压电式感器ppt课件

1、第6章压电式传感器压电式传感器学习目标学习目标n了解石英晶体和压电陶瓷材料的压电效应特点了解石英晶体和压电陶瓷材料的压电效应特点n掌握压电式传感器的测量电路形式、特点掌握压电式传感器的测量电路形式、特点n分析电压前置放大器与电荷前置放大器的区别和分析电压前置放大器与电荷前置放大器的区别和特点特点6.1工作原理工作原理n压电传感器是一种力敏感元件，它可以把加速度、压压电传感器是一种力敏感元件，它可以把加速度、压力、位移等许多非电量转换为压电材料表面的电荷量，力、位移等许多非电量转换为压电材料表面的电荷量，是一种有源传感器发电型传感器）。是一种有源传感器发电型传感器）。n主要用于与力相关的动态参数

2、测试，如动态力、机械主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等。冲击、振动等。n压电传感器是基于某些材料的压电效应，例如：单晶压电传感器是基于某些材料的压电效应，例如：单晶石英晶体石英晶体SiO2,多晶体的压电陶瓷材料多晶体的压电陶瓷材料BaTio3等等6.1.1 压电效应压电效应n压电效应有正压电效应和逆压电效应压电效应有正压电效应和逆压电效应n压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其两个表面出现变形时，其内部将产生极化现象而使其两个表面出现符号相反的电荷集聚的现象。在外力去除后又重新恢符号

3、相反的电荷集聚的现象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转变为电能。复到不带电状态，是机械能转变为电能。n逆压电效应：在介质的极化方向上施加外部电场，介逆压电效应：在介质的极化方向上施加外部电场，介质产生伸缩机械形变，当外部磁场消失，则机械形变质产生伸缩机械形变，当外部磁场消失，则机械形变消失消失6.1.2 压电材料压电材料nX轴轴(电轴电轴)向受力：向受力：nY轴轴(机械轴机械轴)向受力：向受力：nZ轴轴(光轴光轴)向受力：向受力：n无无11xxqdf1211yyyaaqdfdfbb 石英晶体单晶体）石英晶体单晶体）现象：现象：机理：机理：机理：机理：压电陶瓷多晶体）压电陶瓷多晶体

4、） 压电机理：压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 极化处理后陶瓷材料

5、内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转， 从而引起剩余极化强度的变化， 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系： Fdq33式中： d33 压电陶瓷的压电系数； F作用力。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化， 从而使其压电特性减弱。 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡BaTiO3）。它的

6、压电系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有115，使用温度不超过70，温度稳定性和机械强度都不如石英。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅PZT系列， 它是钛酸铅PbTiO2和锆酸铅PbZrO3组成的PbZrTiO3）。居里点在300以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数压电高分子材料n高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。n目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高分子材料是聚偏氟乙烯，其压电效应可

7、采用类似铁电体的机理来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别排列在薄膜的对应上下两边上，形成微晶偶极矩结构，经过一定时间的外电场和温度联合作用后，晶体内部的偶极矩进一步旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳氟偶极矩固定结构。正是由于这种固定取向后的极化和外力作用时的剩余极化的变化，引起了压电效应。压电材料的特性参数压电材料的特性参数n压电系数n弹性系数n介电常数n机电耦合系数n电阻n居里点压电材料的选取n选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑：n转换性能n机械性能n电性能n温度、湿度稳定性好n时间稳定性6.2压

8、电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路前置放大器：前置放大器：把传感器的高内阻抗转为把传感器的高内阻抗转为第输出阻抗；对传感器的第输出阻抗；对传感器的微弱信号进行放大微弱信号进行放大电荷放大器(1)ffCK C iacifoiQUCCCCUK U (1)oacifK QUCCCK C0fCfQUUCRf较大，忽略较大，忽略高增益运高增益运算放大器：算放大器：n电荷电荷Q只对反馈电容只对反馈电容C充电，充电电压充电，充电电压Ucf接近于放大器的输接近于放大器的输出电压出电压n电荷放大器的输出电压与电缆电容电荷放大器的输出电压与电缆电容Cc无关，而无

9、关，而 与与Q成正比，成正比，由于由于Q与压力成线性关系，因此输出电压与被测压力成线性与压力成线性关系，因此输出电压与被测压力成线性关系。关系。电压放大器aiaiR RRRRicCCCsinmQd fd Fwtsinsinmmaad FQUwtUwtCC11Z1RCaaRZjwCjwCjwRCmRCiUZZU )(11icamamiCCCjwRjwRFdCCjwRjwRFdU2221()mimacid F wRUw R CCCarctan2aciwR CCC1211imimUw wUw w1arctan2ww6.2.3压电元件的连接与变形n压电元件的连接n并联法输出电荷大、本身电容量大，适合测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合n串联法输出电荷量不变，电容量减小一半，输出电压大，适合以电压做输出量的场合。 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片或两片以上同型号的压电元件粘结在一起。 从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。 图a从电路上看，这是并联接法， 类似两个电容的并联。所以，外力作用下