压电式传感器分析

压电式传感器分析第一页，共55页。压电式传感器第一章概述第二章工作原理（压电效应，压电材料）第三章一般应用第四章具体汽车上的应用第五章精讲爆震传感器，从信号采集到显示，执行第六章压电式传感器的优缺点第七章应用前景第二页，共55页。第一章概述基于压电效应的传感器，将被测量变化转换成由于材料受机械力产生的静电电荷或电压变化的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。第三页，共55页。第四页，共55页。们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。1882年，他们证实了李普曼(G．Lippmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计——居里计。这就是压电式传感器的理论基础第五页，共55页。第二章工作原理

某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。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”。第六页，共55页。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。第七页，共55页。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形第八页，共55页。以石英晶体为例具体说明压电效应纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。第九页，共55页。把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应压电式传感器主要是利用纵向压电效应（a）yxzO第十页，共55页。第十一页，共55页。当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。第十二页，共55页。当晶体受到沿x方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x

方向上的分量不再等于零:

(P1+P2+P3)x>0

在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0

第十三页，共55页。当晶体受到沿x方向的拉力作用时，电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。第十四页，共55页。当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx

作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。晶体在y（即机械轴）方向的力

Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，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。第十五页，共55页。2.2压电材料压电材料可分为三大类：一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷(多晶半导瓷)；三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。第十六页，共55页。压电陶瓷

压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性第十七页，共55页。陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。第十八页，共55页。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。——正压电效应。第十九页，共55页。若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种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，就是压电陶瓷的逆压电效应。第二十页，共55页。对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，这是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量q与作用力Fz成正比，即第二十一页，共55页。压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比，即第二十二页，共55页。新型压电材料

压电半导体硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等，这些材料显著的特点是：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。有机高分子压电材料其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF)等。其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。第二十三页，共55页。压电材料应具备以下几个主要特性：①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。③电性能。高电阻率和大介电常数。④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。⑤时间稳定性。压电性能不随时间变化。第二十四页，共55页。常用压电晶体和压电陶瓷材料特性

第二十五页，共55页。第三章应用压电薄膜传感器闯红灯拍照行驶中称重车速检测压电式谷物质量流量传感器液隔电极型压电式传感器第二十六页，共55页。压电薄膜传感器美国MEAS公司经过多年研究，开发出了一种压电薄膜交通传感器，该传感器被广泛用于检测车轴数、轴距，车速监控，车型分类，动态称重(WIM)，收费站地磅，闯红灯拍照，停车区域监控，交通信息采集(道路监控)及机场滑行道监控。压电薄膜交通传感器的长处是可获取精确的、具体的数据，如精确的速度信号、触发信号和分类信息及长期反馈交通信息统计数据第二十七页，共55页。闯红灯拍照交叉路口的红灯线前安装两个传感器，传感器与红灯线的最小距离一般为2米。两条传感器的间距为1米或小于1米，可安装在地感线圈的上方，所有数据由前轮采集，在车辆通过传感器移动6″(150mm)以前完成信号采集，信号采集与速度和车辆类型无关，可在交通流量高密度时使用，照相机控制器与红绿灯控制器相连，以便只在红灯时完成动作用两条传感器确定车辆到达停车线前的车速，如果红灯已亮并且车速大于预置值，就会自动拍下第一张照片。第一张照片证明红灯已亮，而且车辆在红灯亮时未超越停车线，并可证明车速及已亮红灯的时间。第二张照片根据车速在第一次拍照后一定的时间内拍出，一般来说为1至2秒。第二张照片证明事实上车辆越了停车线进入交叉路口并闯了红灯。第二十八页，共55页。行驶中称重在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用，其主要用途是高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统，既判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，然后再由执法机构用精度较高的低速称重系统判断超载量并根据超载量罚款第二十九页，共55页。车速检测通常在每条车道上安装两条传感器，这便于分别采集每条车道的数据。使用两个传感器可计算出车辆的速度。当轮胎经过传感器A时，启动电子时钟，当轮胎经过传感器B时，时钟停止。两个传感器之间的距离一般是3米，或比3米短一些(可根据需要确定)。传感器之间的距离已知，将两个传感器之间的距离除以两个传感器信号的时间周期，就可得出车速。根据德国PTB的报告，在汽车以200公里/小时的匀速行驶时，测量精度可达到1%。第三十页，共55页。压电式谷物质量流量传感器冲量式谷物质量流量传感器具有结构简单、使用方便、无潜在环境污染以及制造成本低等优点，是目前国际上谷物质量流量测量的主流传感器．其传感器类型分为压电陶瓷式和应变片式。压电陶瓷具有受温度影响小、结构简单、动态特性好、工作可靠以及制造成本低等特点，因而具有广泛的应用前景。第三十一页，共55页。液隔电极型压电式传感器蛋白质在固体表面的吸附研究对于医药、生物技术、食品加工、蛋白质芯片等领域具有重要的意义。研究蛋白质吸附的方法很多,其中压电式传感器作为一种能够实时检测纳克级质量变化的测量技术,在研究蛋白质吸附动力学方面具有技术优势。利用新型的液隔电极型压电式传感器,实时监测牛血清白蛋白(BSA)在石英表面吸附过程,基本原理是吸附使谐振中的石英晶体的质量负载增加,并反映为ESPS振荡频率的下降,根据频率变化可得出有关吸附量与吸附动力学参数。第三十二页，共55页。第四章具体汽车上的应用加速度传感器爆震传感器倒车雷达第三十三页，共55页。补充电子控制式安全气囊电子控制式安全气囊系统才用碰撞传感器按功能分有碰撞烈度传感器和防护碰撞传感器两大类。碰撞传感器按结构可以分为机电结合式、电子式和水银开关式。电子式碰撞传感器常用的有电阻应变式和压电效应式。第三十四页，共55页。压电式加速度传感器S是弹簧，M是质量块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图a是中央安装压缩型，压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响拾振器输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。图b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。第三十五页，共55页。爆震传感器第三十六页，共55页。

第三十七页，共55页。压电式爆震传感器

第三十八页，共55页。倒车雷达倒车雷达就相当于超声波探头，从整体上来说超声波探头可以分为两大类：一是用电气方式产生超声波，其二是用机械方式产生超声波，较为常用的是压电式超声波发生器，它既可以发射超声波，也可以接收超声波。它有两个电晶片和一个共振板，当两极外加脉冲信号，它的频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压力晶片将会发生共振，并带动共振板振动，将机械的能转为电信号的这一过程，这就成了超声波探头的工作原理。倒车雷达的工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。第三十九页，共55页。第五章精讲爆震传感器先考虑几个问题？第四十页，共55页。

第四十一页，共55页。

第四十二页，共55页。

第四十三页，共55页。爆震传感器的安装位置一般安装在发动机二缸的外围第四十四页，共55页。

第四十五页，共55页。

第四十六页，共55页。