电气与电子测量技术-压电式传感器

1、电气与电子测量技术压电式传感器第1页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五2压电式传感器压电效应压电材料压电传感器等效电路压电传感器调理电路压电式传感器的应用第2页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五3压电式传感器 压电式传感器是一种有源的机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。第3页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五4压电效应 某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；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

2、量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。 反之，如对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。 第4页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五5压电材料 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面： 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数； 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； 温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度

3、范围；时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。第5页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五6压电材料常用压电材料可以分为三类： 压电晶体（石英晶体SiO2 ）压电陶瓷（钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅（Pb MgNbO3 ）高分子压电材料（如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯(PVC)第6页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五7 石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构正六面体。与晶体的纵轴线方向一致的z轴称为光轴；经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应

4、”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。石英晶体第7页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五8石英晶体(a) 不受力时 (b) x轴方向受力 (c) y轴方向受力 石英晶体压电模型第8页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五9石英晶体若从晶体上沿y方向切下一块如图所示的晶片，当沿电轴方向施加作用力Fx时，则在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，其大小为：d11x方向受力的压电系数。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轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，有d12=

5、-d11；a、b晶体切片的长度和厚度。电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。第9页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五10压电陶瓷压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的作用力时，则在两个极化面上分别出现正负电荷。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：d33压电陶瓷的压电系数F作用力压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。未经过极化处理的陶瓷材料不具有压电效应，极化处理后陶瓷材料所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致，具有很高的压电系数。第10页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五11等效电路压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在

6、压电材料上时，传感器就有电荷(或电压)输出压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为： 式中 s-极板面积 r-压电材料相对介电常数 0 -真空介电常数 -压电元件厚度第11页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五12等效电路当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电压(认为其负载电阻为无穷大)U为 这样，可以把压电元件等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路；同时也等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca并联的等效电路

7、。同时还需考虑压电传感器自身的泄漏电阻Ra。(a) 电压源模型 (b) 电荷源模型压电元件的等效电路第12页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五13等效电路 当压电传感器接入测量仪器或测量电路后，必须需考虑连接电缆的寄生等效电容Cc，后续测量电路的输入电容Ci以及后续电路(如放大器)的输入电阻Ri。所以，实际压电传感器在测量系统中的等效电路如图所示。第13页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五14 【问题】根据压电元件的工作原理及上节所述等效电路，分析压电式传感器是否适合静态力的测量？ 等效电路 压电传感器的频率响应曲线a）直流或静态被测量 b）低频被测量c

8、）高频被测量 由此可见，压电传感器不能测量直流或静态的物理量，只能测量具有一定频率的物理量，这说明压电传感器的低频响应较差，而高频响应相当好，适用于测量高频物理量。第14页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五压电式压力传感器调理电路第15页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五16压电传感器调理电路 压电传感器的特点：内阻抗很高；输出的信号非常微弱对调理电路(前置放大器)的要求：前级输入端要防止电荷迅速泄漏，减小测量误差。将压电式传感器的高输出阻抗变换为低阻抗输出，并将微弱的信号进行放大 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号， 因此前置放大器也有两

9、种形式：电压放大器和电荷放大器。 第16页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五17电压放大器（阻抗变换器）电压放大器电路原理及其等效电路图（a） 放大器电路; （b） 等效电路第17页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五18电压放大器（阻抗变换器） 高输入阻抗的电压放大器 具有很高输入阻抗，可以将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。 存在的问题： 输出电压与电容C= Ca + Ci +Cc密切相关，虽然Ca和Ci都很小，但Cc会随连接电缆的长度与形状而变化，从而会给测量带来不稳定

10、因素，影响传感器的灵敏度。放大器的输出电压与连接传感器与前置放大器的电缆长度有关。第18页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五19压电传感器调理电路电荷放大器 由于电压放大器使所配接的压电式传感器的灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换将引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器。 电荷放大器由一个带有反馈电容Cf的高增益运算放大器构成.第19页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五20电荷放大器由于传感器的漏电阻Ra和放大器的输入电阻Ri很大，可以看作开路，而运算放大器输入阻抗极高，在其输入端几乎没有分流，故可略去

11、Ra和Ri并联电阻，等效电路如图所示。电荷放大器等效电路第20页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五21电荷放大器 如果忽略Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为：式中A为开环放大系数第21页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五22电荷放大器 所以放大器输出电压：可见，由于引入电容负反馈，电荷放大器的输出电压Uo仅取决于输入电荷与反馈电容Cf，电缆电容Cc等其它因素的影响可以忽略不计，且与电荷Q成正比，这是电荷放大器的最大特点。当A1，而(1+A)Ci+Cc+Ca时，放大器输出电压可以表示为第22页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五23压电传感器调理电路 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性都很好。在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成可选择的，范围一般为102pF104pF。Cf越小，放大器灵敏度越高。电荷放大器的灵敏度为：第23页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五24压电式压力传感器压电式测压力传感器引线壳体基座压电晶片受压膜片导电片p第24页，共26页，2022年，5月20日，5点46分，星期五25下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量