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1、压电式传感器是一种典型的有源 发电型 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 压电式传感器可以对各种动态力 压力 加速度 机械冲击和振动进行测量 在声学 医学 力学和航空航天方面都得到广泛的应用 压电陶瓷位移器 压电陶瓷超声换能器 压电加速度计 压电警号 压电传感元件是力敏感元件 所以它能测量最终能变换为力的那些物理量 例如力 压力 加速度等 压电式传感器具有响应频带宽 灵敏度高 信噪比大 结构简单 工作可靠 重量轻等优点 正压电效应 顺压电效应 某些电介质 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 内部就产生极化现象 同时在它的一定表面上产生电荷 当外
2、力去掉后 又重新恢复不带电状态的现象 当作用力方向改变时 电荷极性也随着改变 正 顺 压电效应示意图 1 压电效应 逆压电效应 电致伸缩效应 当在电介质的极化方向施加电场 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力 当外加电场撤去时 这些变形或应力也随之消失的现象 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 1 压电效应 常见的压电材料可分为两类 即压电单晶体和多晶体压电陶瓷 压电单晶体有石英 包括天然石英和人造石英 水溶性压电晶体 包括酒石酸钾钠 酒石酸乙烯二铵 酒石酸二钾 硫酸锤等 多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷 锆钛酸铅系压电陶瓷 铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等 2 压电晶体及材料
3、对压电材料特性要求 转换性能 要求具有较大压电常数 机械性能 压电元件作为受力元件 希望它的机械强度高 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 希望具有高电阻率和大介电常数 以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性 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 时间稳定性 要求压电性能不随时间变化 如图所示为天然石英晶体 其结构形状为一个六角形晶柱 两端为一对称棱锥 2 压电晶体及材料 石英晶体 天然形成的石英晶体外形 2 压电晶体及材料 天然形成的石英晶体外形 在晶体学中 可以把将其用三根互相垂直的轴表示 其中 纵轴Z称为光轴 光线沿Z轴
4、方向通过晶体不发生双折射 此轴可用光学方法确定 沿光轴的作用力不产生压电效应 故又称作中性轴 X轴称为电轴 它通过两个相对的棱线 是相邻柱面内夹角的等分线并且要与Z轴垂直 垂直与此轴的晶面上有最强的压电效应 垂直于XOZ平面的y轴为机械轴 在电场作用下 y轴方向有最明显的机械变形 Z X Y a b 石英晶体 a 理想石英晶体的外形 b 坐标系 Z Y X 通常把沿电轴X 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 而把沿机械轴Y 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 沿光轴Z Z方向受力则不产生压电效应 2 压电晶体及材料 硅氧离子的排列示意图 a 硅氧离子在Z平面
5、上的投影 b 等效为正六边形排列的投影 2 压电晶体及材料 电偶极矩分析 2 压电晶体及材料 电偶极矩分析 电偶极矩 电偶极矩分析 电偶极矩 电偶极矩 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关 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 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轴的正方向出现正电荷 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轴的正方向出现负电荷 归纳 作用力与电荷的关系 若从晶体上沿y方向切下一块如图5 6 a 所示的晶片 当沿电轴x方向施加应力 x时 晶片将产生厚度变形 并发生极化现象 在晶体线性弹性范围内 极化强度P11与
6、应力 x成正比 压电元件受力后 表面电荷与外力成正比关系 d为压电系数在X轴方向施力时 产生电荷大小为 1为X方向应力在Y轴方向施力时 产生电荷大小为 2为Y方向应力压电系数d11 d12为常数a b是晶体切片几何尺寸 厚 长 关系式 压电石英晶体的特点 压电常数小 其时间和温度稳定性好 常温下几乎不变 机械强度和品质因数高 许用应力高达 6 9 9 8 107MPa 且刚度大 固有频率高 动态特性好 居里点为573 重复性好 绝缘性好 对于天然石英 上述性能尤佳 它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器 压电陶瓷 压电陶瓷谐波器 超声波医学压电陶瓷晶片 压电陶瓷蜂鸣器 打火用压电陶
7、瓷 压电陶瓷 陶瓷压电效应 陶瓷压电逆效应 3 压电元件及其晶片连接方法 C串 C 2 U串 2U Q串 Q C并 2C U并 U Q并 2Q 3 压电元件及其晶片连接方法 采用串联方式传感器本身电容小 输出电压大 适用于以电压作为输出信号的场合 采用并联方式传感器本身的电容大 输出电荷量大 时间常数大 适用于测量缓慢信号和以电荷作为输出的场合 4 压电式传感器的等效电路和前置放大器 1 等效电路 当压电晶体承受应力作用时 在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷 故可把压电传感器看成一个电荷源 当压电元件表面聚集电荷时 它又相当于一个以压电材料为电解质的电容器 4 压电式传感器的等效电路
8、和前置放大器 1 等效电路 因此 可以把压电式传感器等效为一个电荷源与电容相并联的电荷等效电路 如下图所示 开路状态输出电荷为 4 压电式传感器的等效电路和前置放大器 当两极板聚集异性电荷时 板间就呈现出一定的电压 其大小为 因此 压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路 如图 实际使用时 压电传感器通过导线与测量仪器相连接 连接导线的等效电容CC 前置放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去 压电元件并非理想原件 内部存在泄露电阻Ra 压电传感器完整的等效电路可表示为 4 压电式传感器的等效电路和前置放大器 压电传感器的完整等效电路 Ca传感器的固有
9、电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻 可见 压电传感器的泄露电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联 为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应 要求压电传感器泄露电阻应保待在1013 以上 才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求 与上相适应 测试系统则应有较大的时间常数 亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗 否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏 即产生测量误差 Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻 由于压电式传感器的输出电信号很微弱 通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器
10、中 经过阻抗交换以后 方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中 其中 测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器 4 压电式传感器的等效电路和前置放大器 前置放大器的作用 一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 二是放大传感器输出的微弱电信号 前置放大器电路有两种形式 一是用电阻反馈的电压放大器 其输出电压与输入电压 即传感器的输出 成正比 另一种是用带电容板反馈的电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大 几乎可以忽略不计 故而电荷放大器应用日益广泛 4 压电式传感器的等效电路和前置放大器 1 电压放大器 其输入电压导致电压放大器输入电
11、压与屏蔽电缆线的分布电容Cc以及放大器的输入电容Ci有关 他们均是变数 会影响测量结果 1 电压放大器 可见 连接电缆不宜太长 而且也不能随意更换电缆 否则会使传感器实际灵敏度与出厂标定灵敏度不一致 从而导致测量误差 Cc以及放大器的输入电容Ci有关 他们均是变数 会影响测量结果 2 电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器 其基本电路如图 若放大器的开环增益A0足够大 并且放大器的输入阻抗很高 则放大器输入端几乎没有分流 运算电流仅流入反馈回路CF与RF 可见 电荷放大器中 输出电压与电缆电容Cc无关 与Q成正比 与Cf成反比 这是电荷放大器的突出优点 缺点是电路复杂 价格昂
12、贵 使用电荷放大器 电缆长度变化影响可忽略 并且允许使用长电缆工作 四通道电荷放大器外形 超小型电荷放大器模块 主要指标 灵敏度 1 10 100mV pC 任选一档 频率范围 0 3 100KHz 上 下限可选 噪声 最大灵敏度 输出端小于1mV归一化 外接电阻调整线性误差 1 最大输出 5V或 10V电源 6V 15V特点 可组成经济的多点测试系统 其他电荷放大器外形 面板式电荷放大器 其他电荷放大器外形 续 压电传感器的应用 一 高分子压电材料的应用 1 玻璃打碎报警装置 粘贴位置 质量块 将厚约0 2mm左右的PVDF薄膜裁制成10 20mm大小 在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电
13、电极 再用超声波焊接上两根柔软的电极引线 并用保护膜覆盖 使用时 用瞬干胶将其粘贴在玻璃上 当玻璃遭暴力打碎的瞬间 压电薄膜感受到剧烈振动 表面产生电荷Q 在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号 2 压电式周界报警系统 用于重要位置出入口 周界安全防护等 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层 可起分布式地下麦克风或听音器的作用 可在几十米范围内探测人的步行 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来 右图为测量系统的输出波形 将高分子压电电缆埋在公路上 可以获取车型分类信息 包括轴数 轴距 轮距 单双轮胎 车速监测 收费站地磅 闯红灯拍照 停车区域监控 交通数据信息采集 道路监控 及机场滑行道等
14、 3 交通监测 将两根高分子压电电缆相距若干米 平行埋设于柏油公路的路面下约5cm 可以用来测量车速及汽车的载重量 并根据存储在计算机内部的档案数据 判定汽车的车型 高分子压电电缆的应用演示 压电 陶瓷 式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量 压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用 压电式步态分析跑台 压电式纵跳训练分析装置 压电传感器测量双腿跳的动态力 三 压磁式传感器 1 压磁效应 在机械力作用下 铁磁材料内部产生应力或应力变化 使磁导率发生变化 磁阻相应也发生变化的现象称为压磁效应外力是拉力时 在作用力方向铁磁材料磁导率提高 垂直作用力方向磁导率降低 作用力为压力时 则反之 三
15、 压磁式传感器 1 压磁效应 压磁元件结构如右图 它把若干片形状相同的硅钢片叠合在一起 并用环氧树脂将片与片之间粘合起来 在压磁元件上开四个对称的孔 并分别绕有两个绕组 一般把1 2孔的绕组作为一次侧绕组 把3 4孔的绕组作为二次侧绕组 三 压磁式传感器 2 压磁式力传感器工作原理 根据压磁效应原理 当在一次侧绕组通过交变励磁电流时 铁心中产生磁场 由于压磁元件在未受力时各向同性 磁力线呈轴对称分布 如图 a 所示 此时合成磁场强度平行于二次侧绕组的平面 磁力线不与二次侧绕组交链 故二次侧不会感应出电动势 三 压磁式传感器 2 压磁式力传感器工作原理 当压磁元件受外力作用时 由于压磁元件内部引起各向磁导率的变化 磁力线分布呈椭圆形 如图 b 所示 于是合成磁场不再于二次侧绕组平面平行 而有部分与二次侧绕组交链 在二次侧感应出电动势 而且 外力F越大 压磁元件中应力越大 磁力线交链越多 二次侧绕组感应电动势越大 经测量电路转换为U和I 可得其与被测力之间的关系 2 压磁式力传感器工作原理
