第2章压电式和压磁式传感器

1、第二章 压电式和压磁式传感器1 压电式传感器的工作原理2 等效电路及信号变换电路3 压电式加速度传感器4 压电式测力传感器5 压磁式传感器下一页返 回1 压电式传感器的工作原理n电势型传感器 以压电效应为基础压电效应可逆 “双向传感器”n正压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷)上一页下一页返 回n逆压电效应 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫

2、做“逆压电效应”。(施加电场 电介质产生变形 应力 ) 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 1. 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应X轴：电轴或轴：电轴或1轴；轴；Y轴：机械轴或轴：机械轴或2轴；轴；Z轴：光轴或轴：光轴或3轴。轴。 “纵向压电效应纵向压电效应”：沿电轴（：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应横向压电效应”：沿机械轴（：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。轴）方向时则不产生压电效应。上一页下一页返 回晶体切片 n当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的

3、平面上产生电荷 xxFdQ11d11压电系数（压电系数（C/N） yyxFbadFbadQ1112作用力是沿着机械轴方向作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与电荷仍在与X轴垂直的平面轴垂直的平面上一页下一页返 回1112dd此时，此时，切片上电荷的符号与受力方向的关系 图（图（a）是在）是在X轴方向受压力，轴方向受压力，图（图（b）是在）是在X轴方向受拉力，轴方向受拉力，图（图（c）是在）是在Y轴方向受压力，轴方向受压力，图（图（d）是在）是在Y轴方向受拉力。轴方向受拉力。上一页下一页返 回石英晶体的压电效应 （a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电

4、现象。（b）在）在X轴方向压缩，表面轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。表面呈现正电荷。（c）沿）沿Y轴方向压缩，在轴方向压缩，在A和和B表面上分别呈现正电荷和负电荷表面上分别呈现正电荷和负电荷 上一页下一页返 回石英晶体一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。上一页下一页返 回2. 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应n人工制造的多晶体，压电机理与

5、压电晶体不同。 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化上一页下一页返 回陶瓷片极化 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。因此陶瓷片对外不表现极性。 上一页下一页返 回压电陶瓷的正压电效应 n压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状

6、，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 FdQ33上一页下一页返 回 Q 电荷量；d33 压电陶瓷的压电系数； F 作用力。 FdQ33常见压电陶瓷 ：（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3

7、-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。上一页下一页返 回2 等效电路及信号变换电路n1. 压电元件的等效电路n2. 压电式传感器的信号调节电路上一页下一页返 回1. 压电元件的等效电路hshsCra0aCQU 上一页下一页返 回压电式传感器的等效电路 (a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q与一个电容与一个电容Ca并联的电路并联的电路 (b) 等效成一个电源等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容和一个电容Ca的串联电路的串联电路 上一页下一页返 回两个压电片的联结方式 （a） “并联并联”，Q=2Q，U=U，

8、C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b） “串联串联” Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。上一页下一页返 回2. 压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻

9、抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。 前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。上一页下一页返 回压电传感器的工作原理演示压电传感器的工作原理演示n压电式传感器是一种典型的自发电式传感器自发电式传感器。它以某些电介质（例如石英晶体或压电陶瓷、高分子材料）的压电效应为基础而工作的。在在外力作用下，在电介质表面产生电荷外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等。 n在晶体的弹性限度内，压

10、电材料受力后，其表面产生的电荷Q与所施加的力F成正比。当施加的是正向压力时（图中从上到下的力），上当施加的是正向压力时（图中从上到下的力），上下表面产生上正下负的电荷。当力消失时，压电材料反弹，产生上负下表面产生上正下负的电荷。当力消失时，压电材料反弹，产生上负下正的电荷。下正的电荷。 n由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。图中当力恒定地施加在压电材料当力恒定地施加在压电材料上时，电荷逐渐消失，这表示明压电材料不能用于测

11、量物体重量之类上时，电荷逐渐消失，这表示明压电材料不能用于测量物体重量之类的物理量。的物理量。（1）电压放大器Ca：传感器的电容：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容：放大器的输入电容iaiaRRRRRicaCCCC上一页下一页返 回前置放大器输入电压前置放大器输入电压 RCjRiUi1压电元件的力压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为，产生的电荷为Q = d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdU

12、i111。2211)()(1icamimCCCRRFdu输入电压的幅值输入电压的幅值 当作用力是静态力（当作用力是静态力（=0） 时，前置放大器的输入电压为零。时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。 上一页下一页返 回传感器的低频响应范围 n如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。n但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为

13、传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。上一页下一页返 回电压放大器应用限制n压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。n电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。上一页下一页返 回解决电缆问题的办法将放大器装入传感

14、器中，组成一体化传感器。上一页下一页返 回压电式加速度传感器 n压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。 （2）电荷放大器）电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器。能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。上一页下

15、一页返 回压电传感器与电荷放大器连接等效电路 K是放大器的开环增益，（是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地地”电位。电位。 上一页下一页返 回充电电压接近等于放大器的输出电压充电电压接近等于放大器的输出电压 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0几点结论：几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关， 而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，而与放大器的放大系数的变化或

16、电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成变化成 线形关系的输出电压。线形关系的输出电压。3、反馈电容、反馈电容Cf小，输出就大，小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：、输出电压与电缆电容无关条件： （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）上一页下一页返 回2.3 压电式加速度传感器压缩式压电加速度传感器结构压缩式压电加速度传感器结构上一页下一页返 回测量原理当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座

17、相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。上一页下一页返 回2.4 压电式测力传感器 压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。n变形方式：利用纵向压电效应的TE方式最简便。n材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提 出的要求、工作环境温

18、度等各种因素。n晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷 输出灵敏度增大一倍。上一页下一页返 回单向压电式测力传感器 n用于机床动态切削力的测量。 上一页下一页返 回压电式压力传感器 n测量均布压力的传感器 n拉紧的薄壁管对晶片提供预载力而感受外部压力的是由挠性材料做成的很薄的膜片。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在一定的环境温度条件下，避免因温度变化造成预载力变化引起的测量误差。 上一页返 回例题1n有一压电晶体，其面积S3cm*cm,厚度t0.3mm,在x切型纵向石英晶体压电系数 。 求受到压力p10MPa作用时产生的电荷q及输出电

19、压 注：其中真空介电常数: 石英相对介电常数为： 12112.3110/dCN0U1 208 .8 51 0/Fm4 .5rn解： 受力作用后，石英晶体产生的电荷量为： 带入数据得： 晶体的电容量为： 得输出电压1 11 1qdFdpS96.93 10qC0rsCt 113.98 10CF9116.93*101743.98*10qUVC例题2n压电式加速度传感器的结构如图所示，假设重块组件的质量为m，压电元件的压电系数为d，传感器壳体内的等效阻尼系数为c。要求：（1）分别给出输出电荷q及输出电压U与加速度a之间的关系；（2）画出此加速度传感器的等效模型； （3）推导传感器的微分方程，并说明它是

20、几阶环节的传感器。 解：（1）q=dF=dma U=q/C=dma/CC为传感器的电容量，a为测量加速度。 madtxdmkydtdyCdtydmkydtdyCdt)yx(dm222222（2）等效模型如右图所示： （3）以m为分析对象，其受力为 弹簧力-ky，阻尼力-Cdy/dt 由牛顿第二定律：所以是一个二阶环节的传感器。2.5 压磁式传感器 也称磁弹性传感器。特点：输出功率大、信号强、结构简单、牢固可靠、抗干扰性能好、过载能力强等。使用：轧钢压力和钢板厚度的控制系统； 起重运输的过载包括控制系统； 动态车辆装载物料的测重系统。一、压磁效应 在外力的作用下，引起铁磁材料内部发生应变，则产生应力或应力的变化，使各磁畴之间的界线发生移动，从而使磁畴磁化强度也发生相应的变化，这种现象称之为压磁效应。 作用力引起导磁率发生改变的时候，作用力的作用方向是有影响的。 若作用力是拉力，则在作用力方向上的导磁率提高，垂直于作用力方向上的导磁率略有降低。 作用力是压力的话，效果相反。EZRFM或)(22B二、压磁元件工作原理及其结构 利用铁磁材料的压磁效应，在受外力作用时，铁磁材料内部产生应力或应力变化，引起铁磁材料导