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1、2018年11月2日,传感检测技术及其应用 第二篇 典型传感器的原理 及其应用技术,2018年11月2日,2,第7章 压电式传感器,1.掌握压电式传感器的工作原理； 2.了解压电式传感器的等效电路； 3.了解压电式传感器的测量电路； 4.理解压电式传感器的应用。,压电式传感器是一种可逆型换能器，它既 可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化 为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压 电效应。,2018年11月2日,3,第1节 压电效应及压电材料,压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。 某些晶体在外力作用下，不仅产生
2、形变，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平衡状态，这种现象称为压电效应。,一、压电效应,2018年11月2日,4,与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外力作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。,二、压电材料 具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。 压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大 ；高电阻率和介电系数；稳定性好。,2018年11月2日,5,光轴：z轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。 电轴：x轴，通过两个相对的六角棱线
3、并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。,1.石英晶体：中间为六角形棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。,2018年11月2日,6,机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。 在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英 晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。,纵向压电效应：沿x轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：,Qx=dxFx 式中 dx纵向压电常数； Fx作用力。,2018年11月2日,7,2018年11月2日,8,横向压电效应：沿y轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为
4、,式中dy横向压电常数；Fy作用力； sx、sy 分别为与x轴、y轴相垂直的表面面积；a x轴向厚度；b y轴向长度。 由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷量与晶体尺寸有关。,2018年11月2日,9,根据石英晶体轴对称的条件，dy=dx，从而：,即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。,切向压电效应：沿x轴或y轴施加剪切力，晶体表面产生电荷的现象。沿x轴的剪切力产生的电荷出现在与y轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶片尺寸无关）；沿y轴的剪切力产生的电荷出现在与x轴垂直的表面上。,2018年11月2日,10,天然或人工合成石英晶体（SiO2），具有良好的机械强
5、度和压电效应。压电系数较小（dx =2.310-12C/N），但压电系数的温度稳定性好。在20200C内，温度每升高1C，压电系数仅减小0.016%，升高到200C 时，仅减小5%，达到573C 时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。,2018年11月2日,11,其它压电晶体有铌酸锂（LiNbO3），居里点1210C， 具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆， 抗冲击性差。 钽酸锂（LiTaO3），居里点666C，压电常数为石 英的3倍。 酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O），压电系数较大 （dx=310-9 C/N ），但机械强度低，机械强度、电 阻率、居里点
6、均较低，易受潮，性能不稳定。,2018年11月2日,12,2.多晶压电陶瓷 （压电陶瓷）,由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。, 钛酸钡（BaTiO3）,由碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2 按1 ：1摩尔比混合烧结而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高(1200)，居里点约120C。,2018年11月2日,13,锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷,居里点300C左右，压电常数7080010-12C/N，性能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、高压。,3.高分子有机压
7、电材料,聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。用于微压和机器人触觉。,4.压电半导体,具有压电和半导体两种特性，易于集成。,2018年11月2日,14,2018年11月2日,15,2018年11月2日,16,第2节 压电式传感器的测量电路,b) 等效电荷源,c) 等效电压源,压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电荷和电容为：,电容两极板间开路电压为：,等效电路中电流,一、压电元件的等效电路,2018年11月2日,17,若考虑负载（测量电路），等效电路如下：,a) 电荷源等效电路,b) 电
8、压源等效电路,其中，Ra、Ca压电元件的电阻和电容；Cc为电缆寄生电容；Ci为后续测量电路的输入电容。,2018年11月2日,18,二、压电元件放大电路,压电元件内阻高，电荷信号微弱。因此要前置放大器。前置放大器要具备如下两个特点： （1）将压电元件的高阻抗输出转换为低阻抗输出，使之能用一般方法进行信号处理； （2）同时对弱信号进行放大，使之具有负载驱动能力 。 前置放大器的种类有电压放大器和电荷放大器。,2018年11月2日,19,1.电压放大器,在压电元件 等效电路中 ，Ca和Cc、 Ci相比很小。,而Rc和Ra、Ri相比很大，在并联电路中可以忽略，等 效电阻和电容分别为：,总阻抗为,当压
9、电元件受到交变力F=Fmsint,2018年11月2日,20,输入端电压幅值：,电路中的电流为,输入端电压相位：,输入端电压,电压放大器输出电压幅值,式中A电压放大器的电压放大倍数。,2018年11月2日,21,，则：,当作用力频率与电路时间常数RC足够大时，,Uim、ku、Uom与Cc有关，当改变电缆长度或布线 方法时，Uim、ku 、Uom都会改变，从而导致测量误差。,显然：,压电元件的电压灵敏度,2018年11月2日,22,若压电器件上作用静态力（ = 0），Uim和ku均等于0。即压电传感器不能测量静态力。 若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持(RC)2 1，减少对Ui
10、m和ku的影响。显然增加电容C会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低频响应越好。下限频率：,（一般RaRi）,2018年11月2日,23,对动态测量，较大，易满足(RC)2 1，此时Uim和ku 近似与 无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。,2.电荷放大器,电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012以上）。,电荷放大电路,2018年11月2日,24,电荷放 大电路,其中C = Ca + Cc + Ci + (1+A)Cf 。,放大器的输出电压幅值为：,把反馈电容Cf等效到放大器输入端后，其放大器等效电如右图，同样可求得输入端电压幅值：,2
11、018年11月2日,25,若A足够大（一般100dB以上），则： (1+A)Cf Ca + Cc + Ci,式中负号表示放大器的输出信号与输入信号反相。 上式表明，在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc和Ci无关。电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度，这是电荷放大器的突出优点。,2018年11月2日,26,由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻Rf（约1081012 ），以稳定放大器的直流工作点。,电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但
12、电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。,2018年11月2日,27,能量转换型（发电型）传感器； 体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率， 得到较宽的工作频率范围； 灵敏度高，稳定性好。对应用纵向压电效应的传 感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与 传感器刚度无关； 有比较理想的线性，且通常没有滞后现象； 低频特性较差，主要用于动态测量； 存在横向效应，影响测量结果； 应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、 低噪声电缆； 工作原理可逆。,3.压电式传感器的特点,2018年11月2日,28,三、测量电路,在应用中，压电传感器测量电路的组成如图7-11所
13、示。,图7-11,2018年11月2日,29,第3节 压电式传感器应用,一、压电元件组合,为了增大压电元器件输出，常采用两个（较多见） 或两个以上的压电元件串联或并联 。 n个晶体串接时，输出电荷 量与单片晶体电荷相同， 总电容为单片晶体电容的1/n，输出电压为单片晶体电 压的n倍。串接时，输出电压大、电容小、时间常数小 ，适宜测量迅变信号和以电压输出的场合。,2018年11月2日,30,n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体电荷n 倍，总电容为单片晶体电容n倍， 输出电压等于单片晶体电压。 并接时，输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。,压电式传感器主要生产商 美国PCB,瑞士Kistler,2018年11月2日,31,二、压电传感器应用,1.压电式力传感器,2018年11月2日,32,2018年11月2日,33,2.压电式压力传感器,2018年11月2日,34,2018年11月2日,35,3.压电式加速度传感器,2018年11月2日,36,2018年11月2日,37,4.应用示例,
