传感器原理及应用压电式传感器资料.ppt

1、传感器原理和应用，第六章压电传感器，传感器原理和应用，第六章压电传感器，主要内容1。压电效应2 .压电材料3。压电元件结构4。等效电路和测量电路5。压电传感器的应用，传感器原理和应用，第六章压电传感器，概述压电传感器基于传记介质的压电效应，是通过外力作用在传记介质表面产生电荷，实现非定量测量的典型发展传感器。压电传感器可以测量各种动态力、机械冲击和振动，在音响、医学、力学、导航方面有广泛的应用。传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.1压电效应，部分介质(晶体)牙齿在特定方向施加力变形，内部发生极化现象，表面产生符号相反电荷。外力移除后，返回未充电状态。力的方向改变时，电荷的极性也发生变化。这

2、种现象称为压电效应。压电现象是由于晶体的中心对称不足而发生的，自然界32种晶体晶格中有中心对称和不对称，不对称的21种中有20种有压电效应。传感器原理及应用，第六章压电型传感器，6.1压电效应，压电效应在可逆介质极化方向施加电场时，电子介质变形，将电力转换为机械能(逆压电效应)的现象称为“逆压电效应”。压电元件可以机械能机械能传记能量，传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.2压电材料6.2.1石英郑秀晶，自然界许多晶体具有压电效应，但非常微弱，研究发现石英郑秀晶，钛酸钡，锆钛酸铅是一种优秀的能源压电材料。压电材料可分为压电晶体、压电陶瓷两类茄子。石英晶体外形结构，石英晶体特征天然，人工均属于

3、单晶化学式SiO2外形。不管多么小，六面体都会沿着每个方向的特征产生X(轴)作用，从而产生电荷，纵向压强效应称为Y(机械轴)。水平压电效应不沿Z轴产生压电效应，而是传感器原理和应用，传感器原理和应用6.2压电材料6.2.1石英郑秀晶单晶(郑秀晶)，电压筹码，沿特定方向切片，合成郑秀晶，传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.2压电材料6.2.1石英郑秀晶， 压电元件受力后，表面电荷压电系数d11可以用电荷大小： 1牙齿X方向应力在Y轴方向施加力时晶体中的对称压电系数d12=-d11根据电荷大小： 2在Y方向应力A，B在晶体切片几何尺寸(长度，厚度)，压电特性的各向异性可以用矩阵表示，传感器原理

4、和应用，第6章6.2压力晶体沿X轴受到应力时，X方向压缩变形，X轴正向产生电偶极矩正电荷。晶体沿Y轴受到应力时，在Y方向压缩变形，在X轴正向电偶极矩产生负电荷。晶体沿Z轴受到应力时，X，Y方向的变形相同不会产生压力效果。应力方向拉时，电荷极性与上述相反。传感器原理和应用，6章压电传感器，6.2压电材料6.2.1石英郑秀晶，石英郑秀晶压电模型，传感器原理和应用，6章压电传感器，6.2压电材料6.2.1石英郑秀晶，动画演示弹性常数(动态特性)；介电常数机械耦合系数；电阻(密度)；居里点温度。，传感器原理及应用，第六章压电传感器，6.2压电材料6.2.2压电陶瓷(没有多晶电场时，电在晶体中分布杂乱，

5、极化徐璐抵消，中性)。传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.2压电材料6.2.2压电晶体，施加外部电场时，电场的极化方向旋转，以外部电场方向排列。外部电场强度达到饱和时，所有电场都与外部电场一致。去除外部电场后，传记极化方向基本不变，剩余极化强度很大。因此，压电陶瓷在极化后才具有压电特性，在不极化的情况下是非压电体。传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.2压电材料6.2.2压电陶瓷(多晶体)，传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.2压电材料6 . 2 . 2 . 2压电陶瓷(多晶体)电荷的大小与外力成正比电荷密度：d33压电陶瓷的纵向压电常数，d33随着时间的推移(2年后)，d33牙齿减

6、少，用作传感器时需要经常校准。传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.2压电材料6.2.3聚偏氟乙烯压电材料，聚偏氟乙烯压电效应，石英和压电陶瓷是高性能压电材料，但有密度、硬、易碎、耐冲击性、难加工的常见缺点，PVF2、PVDF材料克服了牙齿缺陷，轻、软压电材料，在这种材料分子链中，CF键具有极性，有一定的偶极矩，一般而言，晶体细胞内的极矩会徐璐抵消整体的极性，没有压电效应。经过特殊处理才能达到良好的压电效果。经过伸展，偏振过程。传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.3压电元件结构，在实际应用中，为了提高灵敏度，经常同时使用两个、四个压电元件，使表面有足够的电荷。压电材料具有极性，因此有连接

7、方法。双连接时：U，-连接时将电路串行电压加倍适用于电压放大器，-连接时将电路并行电荷加倍适用于电荷放大器。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _，传感器原理和应用，第6章压电传感器如果在电容Ca的电容器极板上聚集Q电荷，则极板之间的电压为：等效电容：传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.4等效电路和测量电路6.4.1压电传感器等效电路，等效电压源，等效电流源，传感器测量电路时，传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.4.1等效电路和测量电路6 . 4 . 1压电传感器等效电路，等效电子电路压电传感器灵敏度，有两种传感器原理和应用节目6

8、.4等效电路和测量电路6.4.1压电传感器等效电路，等效电路标记，只有在负载RL(无漏电)下受力产生的电荷Q才能长期保存。 否则放电电路很快就会释放电荷，所以测量频率低的时候，要确保RL牙齿大。RLCa=足够大。压电元件内部电阻高需要前端电路高输入阻抗。前电路两种茄子的作用之一是放大弱信号，第二种是阻抗转换可能是电压源或电荷源，具体取决于等效的电路压电元件输出。因此，前置放大器包括电压放大器、电荷放大器、传感器原理和应用、第6章压电传感器、6.4等效电路和测量电路6.4.2测量电路、传感器原理和应用、第6章压电传感器、6.4等效电路和测量电路6.如果压电元件沿轴变成正弦作用力，则产生的电荷和电

9、压也将正弦变化：理想输入电压振幅，输入的实际振幅(有效值)，D压电系数信号频率R=Ra/Ri，相位差，传感器原理和应用，第6章电压传感器，传感器电压灵敏度，前放大器的实际输入电压和理想前放大器输入电路的时间常数如下。相对振幅和相位频率特性分别为：理想、实际、传感器原理和应用、6章电压传感器、6.4等效电路和测量电路6.4.2测量电路3时输入与信号频率无关，高频响应特性好，优点在于。提高低频响应的方法是加大的，但依靠输入电容Ca渡边杏。因为电压灵敏度是电容反比。实际上是增加前端输入电路电阻Ri。从传感器电压灵敏度Ku中可以看出，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时需要重新校准更换电缆，

10、测量系统对电缆长度的变化很敏感，这是电压放大器的缺点。传感器原理和应用，第6章压电传感器，6.4等效电路和测量电路6.4.2测量电路，电压放大器示例：阻抗转换电路，有用管高阻抗匹配的放大启动反馈电路(从动件)。场效应管偏置通过R1、R2分压、Rg耦合。观察Rg的两端电压，通过C1向Rg连接的A端发送信号。由于遵循场效应管，S(源)G(浇口)之间的电压几乎相同，相位相同。信号通过C2耦合到Rg的B侧，这意味着Rg两端的电压几乎相同，Rg的电流很小，因此阻抗效应管的输入开关没有因为分压电路而减少。传感器原理和应用、第六章压电传感器、6.4等效电路和测量电路6.4.2测量电路(2)电荷放大器、电缆分

11、布电容Cc可以利用电荷放大，解决对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺点，由集成运算放大器组成的电荷放大器具有较好的性能。电荷放大器是输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。作为反馈因素的电容使用深度负反馈高增益运算。输出电压：压电传感器的输入电路反馈电容Cf和高增益运算放大器配置。计算输入阻抗高度，几乎没有分流，因此如果满足Ra、Ri并行电阻、传感器原理和应用节目、第6章压电传感器、6.4等效电路和测量电路6.4.2测量电路(2)电荷放大器、工作频率足够高(RfXc)、忽略A 1牙齿，通常A=104108 (1a) cf ca ci cc讨论：电荷放大器的输出电压U0仅取决于输入电荷Q和反馈电

12、容cf，输出电压与电缆电容cc无关，与Q成正比，与电容Cf成反比是电荷放大器的显着优点。 考虑不同范围的Cf容量，创建可供选择的电容(通常为100104pF)。缺点是复杂的电路、昂贵的价钱、使用电荷放大器、电缆长度变化的影响可以忽略，可以使用长电缆工作。，传感器原理和应用，第6章压电传感器，65压电传感器的应用，1压电郑秀晶振荡器；压电力传感器3压电加速规传感器；4压电玻璃破碎报警；5血压测量；6压电换能器、发射(喇叭)、接收(麦克风)、听者、超声波转换器7新型压电材料(聚偏氟乙烯)、传感器原理和应用、第6章压电传感器、65压电传感器的应用、压电压力传感器、压电晶体夹在两个隔膜之间，压电晶体夹

13、在振动中但是灵敏度也渡边杏了一半。具有加速度补偿的压力传感器，传感器原理和应用，第六章压力传感器，65章压力传感器的应用，压力加速度传感器，传感器原理和应用，第六章压力传感器，65压力传感器的应用，压力玻璃粉碎警报，传感器原理和应用；传感器原理和应用，第6章压电传感器，65压电传感器的应用，传感器原理和应用，第6章压电传感器，65压电传感器的应用PVF2，PVDF材料可以很好地克服牙齿缺陷，使其成为轻便柔软的压电元件。PVF2聚合物乙烯(PVF2)是优秀的热塑性工程塑料，密度小、灵活，具有高压力效应，比石英低10倍，比压电陶瓷低10倍。材料轻柔，根据需要切成薄片，可以移植到人体。硬币计数传感器、传感器原理和应用，第六章压电传感器、65压电传感器的应用，在麦克风上，压电膜以一定的支撑形式保持膜内的一定张力。在外来声压作用下，膜面曲率发生变化，最小应力发生变化，产生相