传感器原理与应用CH7压电与超声波

第7章压电元件与超声波传感器传感器原理与应用

传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器主要内容

7.1压电效应

7.2压电材料

7.3测量电路

7.4压电式传感器的应用

7.5超声波传感器传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器概述

压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的发电型传感器.

压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器概述水声（声呐）换能器压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电警号传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.1压电效应

自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非对称两大类，其中非中心对称的21种有20种具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。压电效应：某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变.图7-1正（顺）压电效应示意图F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.1压电效应

压电效应是可逆的。在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。压电元件可以将机械能电能也可以将电能机械能

压电元件机械能电能正压电效应逆压电效应

传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2压电材料自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。

石英晶体特征天然、人工晶体两种都属于单晶体化学式为——

SiO2，外形无论再小都呈六面体结构

石英晶体沿各个方向的特征不同，需按特定方向切片。7.2.1石英晶体

传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2.1

石英晶体——

单晶体（水晶）压电晶片按特定方向切片人工合成水晶传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2.1

石英晶体

沿X（电轴）作用产生电荷称纵向压电效应沿Y（机械轴）作用产生电荷称横向压电效应沿Z（光轴）不产生压电效应

石英晶体沿各个方向的特征不同（按特定方向切片）传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2.1石英晶体

压电特性的各向异性可用矩阵表示（略）压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:

d为压电系数（与材料有关的常数）在X轴方向施力时,产生电荷大小为:

d11纵向压电系数，σx为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:

d12横向压电系数，σy为Y方向应力根据晶体的对称性，压电系数d12=-d11

a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)，qx、qy

符号决定力的方向。传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2.1石英晶体石英晶体的上述特征与内部分子结构有关，分子六边形分布，三个电偶极矩。当晶体不受力时（F=0），正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩互成1200夹角，矢量和为零，晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于出现上负下正电荷；动画演示传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2.1石英晶体当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于出现上正下负电荷；晶体受沿Z轴方向的应力时X、Y方向形变相同不产生压电效应；应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。动画演示传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2压电材料

7.2.1石英晶体石英晶体压电模型传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2压电材料

7.2.1石英晶体传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器石英晶体压电模型动画演示例7-1石英晶体的d11为2×10-12CN-1，石英晶体的长度是宽度的2倍，是厚度的3倍。（1）当沿着电轴施加3×106N的压力时，求电量qx；（2）当沿着机械轴施加3×106N的压力时，求电量qx；（3）若沿电轴施加作用Fx，用反馈电容Cf=0.01uF的电荷放大器测出其输出电压幅值Uo=0.4V，求作用力Fx。解：（1）qx=

d11×Fx=2×10-12×3×106=6×10-6（C）（2）qx=

-d11×（长度/厚度）×Fx=-2×10-12×

3×3×106=-1.8×10-5（C）（3）qx

=Cf

×

Uo

=0.01×10-6×0.4

=4×10-9（C）

Fx

=qx/d11=(4×10-9)/(2×10-12)=2×103（N）传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2.4压电元件结构形式

在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：

压电晶片按+-+-粘贴时电路并联+_+_U’+++++++++++_______________________+++++++++++输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。电荷增加一倍，适用于电荷放大器。传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2.4压电元件结构形式

U’+__+++++++++++___________++++++++++____________

压电晶片按+--+粘贴时电路串联串联时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜测量高频信号和以电压输出的场合。电压增加一倍适用于电压放大器。传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.2.4压电元件结构形式

传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.3测量电路

7.3.1压电传感器等效电路

压电传感器可视为电荷源视为电荷输出时可等效为电荷源Q和电容Ca并联，开路状态输出端电荷为：视为电压输出时可等效为电压源U与电容Ca串联，开路状态输出端电压为：看成具有+、-极性的电容器，可等效为一个电容器Ca；电容极板上电压大小与极板间电荷成正比传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.3.1压电传感器等效电路

根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种等效电压源

等效电流源根据它们之间的关系有：电压灵敏度电荷灵敏度传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.3.1压电传感器等效电路

等效电压源

等效电流源

当传感器接测量电路时要考虑以下主要因素：电缆等效电容Cc

接入电路的输入电容Ci

放大器输入电阻Ri

传感器漏电电阻Ra。

传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.3.1压电传感器等效电路

压电元件内阻很高，需要系统前置电路具有高的输入阻抗。解决传感器与前级电路的连接…压电元件输出可以是电压源也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器、电荷放大器由等效电路可见，只有在负载RL→∞时受力产生的电荷才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时必须保证RL很大，即时间常数RLCa=τ大。

前置电路有两个作用：一是放大微弱的信号、二是阻抗变换

电压放大器讨论：压电传感器不能测量静态物理量；优点:高频响应特性好。

一般认为当ωτ

≥3时输入电压与信号频率无关。缺点：低频响应差，提高低频响应的办法是增大τ，但不能靠增加输入电容Ca（RLCa=τ），因为电压灵敏度与电容成反比。实际是增大前置输入回路电阻Ri

。从电压灵敏度Ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器电荷放大器的输出电压U0只取决于输入电荷量Q和反馈电容Cf

，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与电容Cf

成反比，这是电荷放大器的突出优点。使用电荷放大器时，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。考虑不同量程因素，Cf

的容量做成可以选择的电容，一般为100～104pF。缺点是电路复杂、价格昂贵。电荷放大器讨论：电压放大器的输出电荷放大器的输出传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.4压电传感器的应用1．压电晶体振荡器；2.压电式测力传感器3．压电加速度计传感器；4.振动测量；5．压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器。压电元件符号传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.4压电传感器的应用压电晶体滤波器压电蜂鸣片传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.4压电传感器的应用压电式压力传感器具有加速度补偿的压电式压力传感器，压电晶体被夹在两块膜片之间，压电晶体在振动时受到来自两个膜片上同方向的力，使压电晶片无电荷输出。但灵敏度低一半。传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.4压电传感器的应用石英压电式压力传感器传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.4压电传感器的应用压电加速度传感器利用压电效应，在加速度计受振动时，质量块加在压电元件上的力（F=ma）也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则产生的电压（或电荷）与被测加速度成正比。1.灵敏度及其产生误差的原因灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法：选用压电系数大的压电元件，对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多（串联或并联）而增大。串联：上下极板的电荷量与单片相同，电容值为单片的一半，输出电压增大1倍。则电荷灵敏度不变，电压灵敏度增大1倍。并联：输出电荷量增大，电压不变，电容值增大，则电荷灵敏度增大，电压灵敏度不变。加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时，应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。2.压电振动加速度传感器的性能指标：灵敏度压电式加速度传感器属于自发电型传感器。输出为电荷量，以pC为单位（1pC=10-12C）；输入量为加速度，单位为m/s2，所以灵敏度以pC/(m/s2)为单位。大多数测量振动的仪器都用标准重力加速度g作为加速度的单位，并在仪器的面板上以及说明书中标出。灵敏度的范围约为10~100pC/g。许多压电加速度传感器的灵敏度单位为mV/g，通常为10~1000mV/g。高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。低灵敏度的压电传感器可用于测量剧烈的振动。2.压电振动加速度传感器的性能指标（续）：常见的压电加速度传感器的频率范围为0.01Hz~20kHz.常见的测量范围为0.1~100g。对于又窄又陡的冲击信号，测量冲击振动时应选用100~10000g的高频加速度传感器；测量桥梁、地基等微弱振动，要选择0.001~10g的高灵敏度的低频加速度传感器。传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.4压电传感器的应用超声波传感器振动式液位开关超声波换能器传感器原理与应用第7章压电元件与超声波传感器7.4压电传感器的应用点火器晶体传感器原理与应用第7章