《第3章 传感器简介.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第3章 传感器简介.ppt（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、压电式传感器,第三章 常用传感器简介（三）,概述,压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应, 是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。 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。 压电式传感器具有体积小, 重量轻, 工作频带宽等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。,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, 其内部就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生
2、符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 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, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。 具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机电能量的相互转换。 压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。,石英晶体的压电效应,天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称
3、为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。 通常把沿电轴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” 沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。,石英晶体的压电效应（纵向）,假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。当在电轴方向施加作用力Fx时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为,qxx 为垂直于X轴平面上的电荷； dxx 为压电系数，下标的意义为产生电 荷的面的轴向及施加作用力的轴向
4、； Fx 为沿晶轴X方向施加的压力,石英晶体的压电效应（横向）,若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力Fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷, 其大小为,根据石英晶体的对称条件dXY=-dXX,dXY为压电系数，Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数,石英晶体压电效应的产生原因,石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,石英晶体压电效应的产生原因,当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好
5、分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即： P1P2P30,当晶体受到沿X方向的压力（FX0，在Y、Z方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=（P1+P2+P3）Z=0,在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。,石英晶体压电效应的产生原因,当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为,（P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0,在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。,当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作
6、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。,石英晶体压电效应的产生原因,晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY0时，则与图（c）相似。,晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。,石英晶体压电效应的产生原因,晶体在Z轴方向力FZ的作用下，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：,沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。,压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部的晶粒有许
7、多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。,压电陶瓷,极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化, 当陶
8、瓷材料受到外力作用时, 电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系: q = d33 F 式中: d33 压电陶瓷的压电系数; F作用力。,压电陶瓷,压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间变化, 从而使其压电特性减弱。 钛酸钡（BaTiO3）：压电系数约为石英的50倍, 但
9、使用温度较低, 最高只有70, 温度稳定性和机械强度都不如石英。 锆钛酸铅（PZT系列）：有较高的压电系数和较高的工作温度。 铌镁酸铅： 具有极高的压电系数和较高的工作温度, 而且能承受较高的压力。,压电元件的常用结构型式,在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种,并联接法 输出电容C为单片的n倍，即C=nC 输出电压U=U 极板上的电荷量Q为单片电荷量的n倍，即Q=nQ 并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。,压电元件的常用结构型式,串联接法 极板上的电荷量QQ 输出电压U= nU 输出
10、电容C=C/n 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。,压电式传感器等效电路,压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为 ：,A压电片的面积; d压电片的厚度；r压电材料的相对介电常数。,压电式传感器等效电路,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为,因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效
11、为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。,传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。,压电式传感器等效电路,压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接, 因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc, 放大器的输入电Ri, 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra,Ca传感器的固有电容 C
12、i 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,为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在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。与之相适应，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。 ,压电式传感器测量电路,压电传感器本身的内阻抗很高, 而输出能量较小, 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为: 把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可以是电压信号, 也
13、可以是电荷信号, 因此前置放大器也有两种形式: 电压放大器 电荷放大器,压电式传感器的应用,压电式压力传感器 根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。压电式测压传感器的原理简图。它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,F作用于压电片上的力； d11压电系数； P压强， ； S膜片的有效面积。,压电式传感器的应用,压电式加速度传感器 其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质
14、量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。,当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此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，此力Fma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为,qd33Fd33ma,此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度
15、。,压电式传感器的应用,压电式金属加工切削力测量,右图为利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方, 当进行切削加工时, 切削力通过刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出, 记录下电信号的变化便测得切削力的变化。,压电式传感器的应用,压电式玻璃破碎报警器 BSD2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器, 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、 滤波、 比较等处理后提供给报警系统。 使用时传感器用胶粘贴
16、在玻璃上, 然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度, 信号经放大后, 需经带通滤波器进行滤波, 要求它对选定的频谱通带的衰减要小, 而带外衰减要尽量大。 由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内, 这就使滤波器成为电路中的关键。 当传感器输出信号高于设定的阈值时, 才会输出报警信号, 驱动报警执行机构工作。,磁电式传感器,磁电感应式传感器 霍尔式传感器,磁电感应式传感器,磁电感应式传感器又称磁电式传感器， 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。它不需要辅助电源， 就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。 由于它输出功率大， 且性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz），所以得到普遍应用。,磁电感应式传感器工作原理,根据电磁感应定律, 当w匝线圈在恒定磁场内运动切割磁力线圈或线圈所在磁场的磁通发生变化时,
