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1、,压电式传感器,第4章,传感器与智能检测技术,压电式传感器,4,传感器与智能检测技术,压电元件与压电效应,4.1,压电式传感器,04,4.1.1压电元件,4.1.2压电效应,传感器与智能检测技术,4.1压电元件与压电效应式传感器,压电式传感器,04,压电式传感器中的压电元件一般有三类： 压电晶体（单晶体） 经过极化处理的压电陶瓷（多晶体） 高分子压电材料,4.1.1压电元件,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,石英（SiO2）晶体结晶形状为六角形晶柱。,一、石英晶体,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,石英晶体是一种性能良好的压电晶体，它的突出优点是性能非常稳定。在20200的范围
2、内压电常数的变化率只有-0.0001/。此外，它还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。石英晶体的不足之处是压电常数较小（d=2.3110-1 C/N）。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或使用温度较高的传感器中使用。,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。,二、压电陶瓷,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,压电陶瓷由无数细微的电畴组成。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极
3、化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理。极化处理之后，陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷，所以压电陶瓷也具有压电效应。,a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。常用的压电陶瓷材料主要有以下两种： 锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT） 非铅系压电陶瓷,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,典型的高分
4、子压电材料有聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。优点是不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，测量动态范围大，频率响应范围较宽。缺点是工作温度一般低于100，温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。,三、高分子压电材料,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 正压电效应：某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到正常的不带电状态，这种现象称为正压电效应。 逆压
5、电效应：如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。,4.1.2压电效应,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,石英晶体的三个轴： 纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应 经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴，也称x轴 经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称y轴,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,石英晶体的三个面： 垂直于光轴（z轴）的面称为z面 垂直于电轴（x轴）的面称为x面 垂直于机械轴（y轴）的面称为y面 电荷只产生在
6、与x轴垂直的x面的前后两侧。,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较： 在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷： 式中d11为x方向受力的压电系数。 在y轴方向施加压力Fy时，则仍在x面上产生电荷： 式中d12为y轴方向受力的压电系数，l、为石英晶片的长度和厚度。,根据石英晶体的对称性，d12=-d11；电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,当石英晶体未受外力作用时，如图（a）所示，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，
7、l为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，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，即呈中性。,石英晶体压电模型 (a)不受力时 (b)x轴方向受力 (c)y轴方向受力,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动，如图（b）所示，此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x面上出现电荷，它的极性为在x轴正向出现负电荷，x轴负向出现正电荷。在y轴方向上的电偶极距的分量为零，不出现电荷。,石英晶体压电模型 (a)不受力时
8、 (b)x轴方向受力 (c)y轴方向受力,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图（c）所示。P1增大，P2、P3减小。在x面上出现电荷，它的极性为在x轴正向出现正电荷，x轴负向出现负电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。,石英晶体压电模型 (a)不受力时 (b)x轴方向受力 (c)y轴方向受力,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,当
9、力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。 如果施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏并消失。,石英晶体的压电效应演示,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,当传感器与被测振动加速度的机件紧固在一起后，传感器受机械运动的振动加速度作用，压电晶片受到质量块惯性引起的压力，其方向与振动加速度方向相反，大小由F=ma决定。惯性引起的压力作用在压电片上产生电荷。电荷由引出电极输出，由此将振动加速度转换成电参量。弹簧是给压电片施加预紧力的。预紧力的大小基本不影响输出电荷的大小。若预紧力不够，而加速度又较大时，质量块将与压电片敲
10、击碰撞;预紧力也不能太大，否则会引起压电片的非线性误差。,传感器与智能检测技术,4.2 压电式传感器的原理传感器,a）原理图 b）结构 c）外形 压电式加速度传感器 1一基座2引出电极3压电晶片4一质量块5弹簧6壳体7一固定螺孔,压电式传感器,04,压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，将产生电荷，因此它相当于一个电荷发生器，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介质的电容器，两电极板间的电容为:,传感器与智能检测技术,4.3 压电传感器的等效电路和测量电路式传感器,a）结构示意图 b）电路符号 c）等效电路 压电元件 1镀银上电极 2压电晶体 3镀银下电极,因此，可以把压电元
11、件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图所示，如果忽略阻值较大的漏电阻Ra，则压电元件的端电压：,压电式传感器,04,压电传感器的输出信号非常微弱，一般需将电信号放大后才能检测出来。根据压电传感器的工作原理及等效电路，它的输出可以是电荷信号也可以是电压信号，因此与之相配的前置放大器有电压前置放大器和电荷放大器两种形式。 因为压电传感器的内阻抗极高，因此它需要与高输入阻抗的前置放大器配合。从图中可以看到，如果使用电压放大器，其输入电压ui=Q/（Ca+Cc+Ci），导致电压放大器的输入电压与屏蔽电缆线的分布电容Cc及放大器的输入电容Ci有关，它们均是变数，会影响测量结果，故目前多采
12、用性能稳定的电荷放大器（电荷/电压转换器），如图所示。,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,4.4.1压力式单向动态力传感器的工作原理,4.4.2压力式单向动态力传感器的应用,传感器与智能检测技术,4.4压电式传感器的应用实例式传感器,压电式传感器,04,主要用于变化频率不太高的动态力的测量，如车床动态切削力的测试。被测力通过传力上盖使压电片在沿轴方向受压力作用而产生电荷，两块压电片沿轴向反方向叠在一起，中间是一个片形电极，它收集负电荷。两压电片正电荷侧分别与传感器的传力上盖及底座相连。因此两块压电片被并联起来，提高了传感器的灵敏度。片形电极通过电极引出插头将电荷输出。电荷Q与所受的动态
13、力成正比。只要用电荷放大器测出Q，就可以测知F。,4.4.1压力式单向动态力传感器的工作原理,a）外形 b）结构 压电式单向动态力传感器 1刚性传力上盖 2压电片 3一电极 4电极引出插头5绝缘材料6底座,传感器与智能检测技术,压电式传感器,04,压电动态力传感器位于车刀前端的下方。切削前，虽然车刀紧压在传感器上，压电片在压紧的瞬间也曾产生出很大的电荷，但几秒之内，电荷就通过电路的泄漏电阻中和掉了。切削过程中，车刀在切削力的作用下，上下剧烈颤动，将脉动力传递给单向动态力传感器。传感器的电荷变化量由电荷放大器转换成电压，再用记录仪记录下切削力的变化量。,刀具切削力测量示图 1一压电式单向动态力传感器 2刀架 3车刀 4一工件,传感器与智能检测技术,4.4.2压力式单向动态力传感器的应用,
