压电式传感器44976课件

9.3压电式传感器9.3.1压电式传感器的工作原理9.3.2等效电路及信号变换电路9.3.3压电式传感器应用下一页返回9.3.1压电式传感器的工作原理电势型传感器

以压电效应为基础 压电效应可逆“双向传感器”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。

压电效应示意图压电材料的压电特性常用压电方程来描述: qi=dijσj或Q=dijF压电元件的坐标系表示法当晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度可由下列方程组决定：压电材料的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示如下：1.石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。上一页下一页返回晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷

d11——压电系数（C/N）作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面上一页下一页返回此时，切片上电荷的符号与受力方向的关系图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。上一页下一页返回石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/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人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的压电效应

上一页下一页返回压电陶瓷中的电畴(a)未极化；(b)正在极化；(c)极化后压电陶瓷的正压电效应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，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

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。

（3）压电高分子材料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。聚偏二氟乙烯

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（Zr·Ti）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-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。上一页下一页返回常用压电材料的性能参数压电材料性能参数石英钛酸钡锆钛酸铅(PZT系)PZT-4PZT-5PZT-8压电系数/(10-12C·N-1)d11=2.31d14=0.73d15=260d31=-78d33=190d15=410d31=-100d33=230d15=670d31=-185d33=600d15=330d31=-90d33=200弹性系数/(109N·m-2)80110115117123相对介电常数4.51200105021001000机械品质因数105～106600～800801000体积电阻率/(Ω·m)＞10121010＞10101011居里点/0C573115310260300密度/(103kg·m-3)2.655.57.457.57.45静抗拉强度/(105N·m-2)95～100817676839.3.2压电式传感器测量电路9.3.2.1压电式传感器的等效电路9.3.2.2压电式传感器的测量电路9.3.2.3压电元件的连接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Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca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”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C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，（b）“串联”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2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。上一页下一页返回(a)电荷等效电路(b)电压等效电路放大器输入端等效电路放大器输入端等效电路Ca：传感器的电容Ra：传感器的漏电阻Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容上一页下一页返回电荷放大器 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1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。 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。上一页下一页返回充电电压接近等于放大器的输出电压几点结论：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，而与放大器的放大系数的变化或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Q变化成线形关系的输出电压。3、反馈电容Cf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。5、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（1）电荷放大器电荷放大器等效电路如图9.3.11(b)所示。它由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。反馈电容折合到放大器输入端的有效电容为：

C/f=(1+K)Cf由于因此其输出电压为：当K＞＞1(通常K=104～106)，满足(1+K)Cf＞10（Ca+Cc+Ci）时，就可将上式近似为：由此可见，在电荷放大器中输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压UCf(反馈电容两端的电压)接近于放大器的输出电压。电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的突出优点。由于Q与被测压力成线性关系，因此，输出电压力成线性关系。（2）电压放大器电压放大器的原理及等效电路如图9.3.11(c)、(d)表示。如果压电元件受到沿着电轴的正弦力f=Fmsinωt的作用，则所产生的电荷为：Q=d·f=d·Fmsinωt

对应的电压为：等效电路中R，C并联的总阻抗为：R，C又与Ca串联，因此它们总的等效阻抗为：因此，送到放大器输入端的电压为：将上述式子代入并整理可得：于是可得放大器输入电压的幅值为：输入电压与作用力间的相位差为：代入式(9.3.27)可得放大器的输入电压幅值为：联立式(9.3.27)和式(9.3.29)可得：令则对应的相角为：电压幅值比和相角与频率比的关系曲线9.3.2.3压电元件的连接(a)同极性粘结(b)不同极性粘结压电元件连接方式比较并联法输出电荷大、本身电容大、时间常数大，适宜测量慢变信号且以电荷作为输出量的场合。串联法输出电压大、本身电容小，适宜以电压作输出信号且测量电路输入阻抗很高的场合。传感器的低频响应范围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。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为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。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9.3.3压电式传感器的应用压电式传感器应用最多的是测力，凡是能转换成力的机械量如位移、压力、冲击、振动加速度等，都可用相应的压电传感器测量。尤其是对冲击、振动加速度的测量。9.3.3.1压电式加速度传感器9.3.3.2压电式力传感器9.3.3.3基于压电效应的超声波传感器三种应用：返回9.3.3.1.压电式加速度传感器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9.3.3.2压电式力传感器压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。变形方式：利用纵向压电效应的TE方式最简便。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、工作环境温度等各种因素。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用于机床动态切削力的测量。上一页下一页返回传感器性能指标测力范围0~500g最小分辨率0.1g绝缘阻抗2×1014Ω固有频率约50~60kHz非线形误差<±1%重复性误差<1%电荷灵敏度38~44pC/kg重量10g9.3.3.3基于压电效应的超声波传感器压电式传感器探头结构图超声波测厚工作原理图影响压电式传感器工作的主要因素（1）横向灵敏度（2）环境温度和湿度（3）安装差异及基座应变（4）噪声（1）横向灵敏度横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的作用力，而对横向作用力不敏感。如对于压缩式压电传感器，就要求压电元件的敏感轴(电极向)与传感器轴线(受力向)完全一致。但实际的压电传感器由于压电切片、极化方向的偏差，压电片各作用面的粗糙度或各作用面的不平行，以及装配、安装不精确等种种原因，都会造成压电传感器电轴方向与力轴方向不重合。产生横向灵敏度的必要条件：一是伴随轴向作用力的同时，存在横向力；二是压电元件本身具有横向压电效应。因此，消除横向灵敏度的技术途径也相应有二：一是从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的一致；二是尽量采用剪切型力－电转换方式。一只较好的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5％。返回（2）环境温度和湿度环境温度对压电传感器工作性能的影响主要通过三个因素：①压电材料