传感器第六章压电式压磁式

1、（优选）传感器第六章压电式压磁式第一页，共七十九页。 压电式传感器的原理： 是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。 应用领域：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非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等领域得到了广泛的应用。 第二页，共七十九页。第一节 压电效应及压电材料 一、压电效应二、石英晶体（SiO2）的压电效应三、陶瓷的压电效应四、压电材料第三页，共七十九页。第四页，共七十

2、九页。一、压电效应 顺（正）压电效应： 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应。返回第五页，共七十九页。F FFF 第六页，共七十九页。逆压电效应（电致伸缩效应） 当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种将电能转变为机械能的现象。正压电效应电能机械能逆压电效应 压电元件返回第七页，共七十九页。二、石英晶体（Si

3、O2）的压电效应ZXY纵向轴ZZ称为光轴经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴第八页，共七十九页。(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 石英坐标第九页，共七十九页。1、石英晶体产生压电效应原理“”代表Si4+，“”代表2O2-。 第十页，共七十九页。F =0时正、负离子在正六边形顶角P1、P2、P3互成120夹角正负电荷中心重合电偶极矩的矢量和等于零 P1P2P30 此时晶体表面不产生电荷，即呈中性。第十一页，共七十九页。受X方向压力时正、负电荷重心不再重合P1减小，P2、P3增大(P1+P2+P3)X0

4、X轴的正向: 负电荷Y、Z轴方向无电荷 这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。第十三页，共七十九页。受Z轴力:无论是压力还是拉力作用都会使晶体在x方向和y方向产生完全相同的形变，所以，正、负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。（切向压电效应）石英压电效应返回第十四页，共七十九页。2、纵向压电效应d11为x方向受力的压电系数 d11=2.3110-12C/NFX为作用力xbzyac返回第十五页，共七十九页。3、横向压电效应d12y轴方向受力的压电系数；石英晶体对称性， 有d12= -d11；

5、a-长度；b-厚度。 返回第十六页，共七十九页。 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。结论：返回第十七页，共七十九页。三、陶瓷的压电效应无外电场作用时总极化强度为零施加外电场时电畴自发极化方向与外电场一致外电场去掉后具剩余极化强度人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体电畴剩余极化强度第十八页，共七十九页。

6、 自由电荷束缚电荷电极电极 极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度束缚电荷会吸附自由电荷陶瓷片对外不表现极性第十九页，共七十九页。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。 d33 :压电陶瓷压电系数F：作用力 加外力 极化方向F电畴偏转，极化强度变小，自由电荷释放 返回第二十页，共七十九页。第二十一页，共七十九页。逆压电效应：由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象。 极化方向电场方向返回第二十二页，共七十九页。第二十三页，共七十九页。（a）纵向变形y+ + + +FzFzxz- - - - d33:压电陶瓷的压电系数； F z :

7、作用力。 第二十四页，共七十九页。转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。具有较高的固 有振动频率。电性能。高电阻率和大介电常数。 为了减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有 较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间褪化。 压电材料具备主要特性：四、压电材料指压电材料开始丧失压电特性的温度。返回第二十五页，共七十九页。 1、石英晶体 石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好。 在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时

8、，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。 斜率：0.016/1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20t石英的d11系数相对于20的d11温度变化特性6543210100200300400500600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数的温度特性第二十六页，共七十九页。 优点： 性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。 缺点： 价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。用于标准仪器或要求较高的传感器中。 切割： 各向异性晶体，按不同方向切割，物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根据不同使用要求正确地

9、选择石英片的切型。 组成： 天然和人工培养两种类型。因其物理和化学性质几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。第二十七页，共七十九页。天然形成的石英晶体外形第二十八页，共七十九页。人工合成水晶双面镀银并封装压电晶片石英晶体薄片石英晶体切片及封装第二十九页，共七十九页。（2）水溶性压电晶体 属于单斜晶系的有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O)，硫酸锂(Li2SO4H2O)；属于正方晶系的有磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)等。压电灵敏度和介电常数较高但易受潮，机械强度较低，电阻率低。只限于在室温和湿度低的环境下使用。第三十页，共七十九页。（3）铌酸锂晶体（LiNbO2）通过人工提拉

10、法制成。与石英晶体相似，也是一种单晶体，无色或浅黄色，透明。因为是单晶体，所以时间稳定性比多晶体的压电陶瓷好得多。是一种压电性能良好的电-声换能材料。熔点1250，居里点1210 。在耐高温的传感器上应用广泛。比石英晶体脆弱，而且热冲击性很差，所以在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛和急冷急热。第三十一页，共七十九页。 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数约为石英晶体的50倍。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2、压电陶瓷第三十二

11、页，共七十九页。 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌Nb、锑Sb、锡Sn、锰Mn、钨W等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。 第三十三页，共七十九页。 (3)铌酸盐系压电陶瓷 这一系中是以铁电体铌酸钾(KNbO3)和铌酸铅 (PbNb2O6)为基础的。铌酸钾和钛酸钡十分相似，但所有的转变都在较高温度下发生，在冷却时又发生同样的

12、对称程序：立方、四方、斜方和菱形。居里点为 435。铌酸铅的特点是能经受接近居里点(570)的高温而不会去极化，有大的 d33d31比值和非常低的机械品质因数QM。铌酸钾特别适用于作1040MHz的高频换能器。近年来铌酸盐系压电陶瓷在水声传感器方面受到重视。由于它的性能比稳定，适用于深海水听器。第三十四页，共七十九页。(4)铌镁酸铅压电陶瓷（PMN） 它由铌镁酸铅 、锆酸铅（PbZrO3）和钛酸铅（PbTiO3）三种化合物按不同比例配出不同性能的压电陶瓷。具有极高的压电系数（d33=80010-1290010-12C/N）和较高的居里点（260）， 而且能承受较高的压力（7107Pa）。 因此

13、可作为工作在高温下的测力传感器的压电元件。第三十五页，共七十九页。打火用压电陶瓷压电陶瓷蜂鸣器 压电陶瓷外形超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片第三十六页，共七十九页。第三十七页，共七十九页。3.压电半导体材料如硫化锌ZnS、硫化镉CdS 、氧化锌ZnO 、碲化镉CdTe、碲化锌ZnTe、砷化镓CaAs，既具有压电特性，又具有半导体特性，有利于将元件和线路集成于一体，研制新型集成压电传感器测试系统。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。第三十八页，共七十九页。3、高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和

14、电场极化后，具有一定的压电性能，压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。第三十九页，共七十九页。第二节 压电传感器的等效电路及测量电路一、压电晶片的连接方式二、压电传感器的等效电路三、压电传感器的测量电路第四十页，共七十九页。一、压电晶片的连接方式1、并联连接+ + + -+ + + + -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场合。第四十一页，共七十九页。2、串联连接+ + + -+ + + -+ 串联接法输出电压大，

15、本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高、频率较高的场合。返回第四十二页，共七十九页。受力和变形(a) 厚度变形(b) 长度变形(c) 体积变形(d)面切变形(e) 剪切变形效应类型第四十三页，共七十九页。二、压电传感器的等效电路 q电极压电晶体qCe静电发生器电容器第四十四页，共七十九页。 压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ce的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ce的并联电路，如图(b)。 （a）电压等效电路CeUq/ Ceq UCeCe（b）电荷等效电路第四十五页，共七十九页。Cc ：连接电缆等效电容 Ri ：放大器输入电阻Ci ：放大器

16、输入电容 Rd ：传感器泄漏电阻实际等效电路第四十六页，共七十九页。三、压电传感器的测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻 抗输出；放大压电式传感器输出的微弱信号。 前置放大器形式：电压放大器，用电阻反馈，其输出电压与输入电压（传感器 的输出电压）成正比；电荷放大器，用电容板反馈，其输出电压与输入电荷成正比。第四十七页，共七十九页。1、电压放大器若压电元件材料受正弦力作用，则产生的电压值为 Fm作用力的幅值电压幅值 第四十八页，共七十九页。可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为ui的幅值Uim为输入电压与作用力之间的相位差为其中 第四十九页，共七十

17、九页。 在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-8）可知，理想情况下输入电压幅值Uim为 上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在/03时，就可以认为Uim与无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即 第五十页，共七十九页。电压灵敏度 讨论：灵敏度与被测信号频率无关,即输入电压与作用力的频率无关，这说明压电式传感器的高频响应相当好，所以用于高频较便利的测量。压电传感器不能测静态量。 为了得到好的低频响应特性，灵敏度与连接电缆有关，更换电缆需要重新标定其中 返回（2）/03第五十一页，共七十九页。(1+A)CfCe+Cc

18、+Ci时2、电荷放大器返回第五十二页，共七十九页。第三节 压电传感器的应用一、压电式压力传感器二、压电式力传感器三、压电加速度传感器四、交通监测 五、压电式玻璃破碎报警器六、压电式声传感器七、压电式流量计八、压电式传感器在测漏中的应用第五十三页，共七十九页。1 压电式压力传感器第五十四页，共七十九页。1、压电式压力传感器引线壳体基座压电晶片受压膜片导电片p第五十五页，共七十九页。2、单向测力传感器 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11实现力电转换。该传感器的测力范围为050

19、N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。 第五十六页，共七十九页。3、动态切削力的测量 第五十七页，共七十九页。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。压电式刀具切削力测量示意图 第五十八页，共七十九页。4、体育动态测量中应用压电式纵跳训练分析装置测量双腿跳的动态力压电式步态分析跑台第五十九页，共七十九页。5、压电加速度传感器加速度计第六十页，共七十九页。5、压电加速度传感器第六

20、十一页，共七十九页。汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体第六十二页，共七十九页。6、交通监测 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。第六十三页，共七十九页。7、压电式玻璃破碎报警器 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。 粘贴位置使用

21、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，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。第六十四页，共七十九页。广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。 第六十五页，共七十九页。 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。第六十六页，共七十九页。8、压

22、电式声传感器压电陶瓷换能器结构图 当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短 。铝头螺钉黄铜尾部压电陶瓷圆环第六十七页，共七十九页。 根据发射和接收的相位差随海洋深度的变化，测量声速随深度的分布情况9、 压电式流量计流量显示输出信号换能器换能器接收接收发射发射利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。

23、此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。第六十八页，共七十九页。ABO点LALB地 面L 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。10、 压电式传感器在测漏中的应用第六十九页，共七十九页。两者时间差为t= tA-tB=（LA - LB ）/v又L=LA +LB ，所以 第七十页，共七十九页。水漏探测仪设计 前 放带通滤波放

24、大低通滤波传感器B发 送前 放带通滤波放 大低通滤波传感器A主 机接 收管 道第七十一页，共七十九页。产品压力变送器加速度计力传感器 脉搏计第七十二页，共七十九页。第二部分 压磁式传感器压磁式测力称重传感器车轮传感器第七十三页，共七十九页。2.1 基本原理1.压磁效应: 铁磁材料在外力作用下，内部发生变形，使各磁畴之间的界限发生移动，使磁畴磁化强度矢量转动，从而也使磁畴磁化强度发生相应的变化。这种由于应力使铁磁材料的磁化强度发生变化的现象称为压磁效应。变换链 第七十四页，共七十九页。2.铁磁材料的相对导磁率变化与应力之间的关系压磁传感器: 用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩) 导磁率大小的变化与受力方向有关：如果产生压磁效应的作用力是拉力，那么沿作用力方向的导磁率就提高，而在其垂直方向上，导磁率略有降低。反之，该作用力为压力时，其效果相反。作用力取消后，导磁率复原。铁磁材料的压磁效应还与外磁场有关。为了使磁感应强度与应力间有单