《压电传感器》ppt课件-2

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1、1,压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以某些物质的压电效应为基础，在外力作用下,在物质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。 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、重量轻等特点。,第四节 压电式传感器,2,压电陶瓷位移器,压电陶瓷超声换能器,压电秤重浮游计,压电警号,压电加速度计,3,一、压电效应 二、压电材料 三、压电式传感器的测量电路 四、压电式传感器的应用,4,某些电介质（晶体） 当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷

2、； 当外力去掉后，又重新恢复不带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；,一、压电效应,这种现象称正压电效应,5,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，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；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,6,压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称 “逆压电效应”。 压电元件可以将机械能转化成电能 也可以将电能转化成机械能。,正压电效应,逆压电效应,7,8,超声波传感器,9,1、石英晶体的压电效应,石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系,石英晶体的理想外

3、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。,10,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-。,11,晶体沿X方向将产生收缩，电偶极矩在X方向的分量为 (P1+P2+P3)X0 (P1+P2+P3) Y=0 (P1+P2+P3 ) Z=0 即在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方

4、向则不出现电荷。,(c) FX0,正、负离子（即Si4+和2O2-）正好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，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1P2P30,（P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0,即在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。,结论：当晶体受到沿X（即电轴）方向的力FX作用时，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。,12,当晶体在Y轴方向力FY作用时： 当FY0时，晶体的形变与在X轴方向力FX0 相似； 当FY0时，则与在X轴方向力FX 0 相似。 可见，晶体在Y（即机械轴）方向的

5、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。 如果沿Z轴方向上施加作用力FZ，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。 表明：沿Z（即光轴）方向加作用力FZ晶体不产生压电效应。,13,晶体切片：从石英晶体上沿轴线切下的平行六面体薄片。 当晶片受到沿X轴方向的压力FX作用时，晶体切片厚度t将产生变形，并在与X轴垂直的平面上产生电荷QXX，即,14,压电效应结论,无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 石英晶

6、体不是在任何方向都存在压电效应的。,通常把沿电轴XX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YY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ZZ方向受力则不产生压电效应。,15,1、种类： 石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。 2、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：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：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； 环境适应性强：温度和湿度稳定性要

7、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。,二、压电材料,16,（一） 石英晶体 石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性好。在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到573时，压电特性完全失去，这就是它的居里点。,石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能好。但价格昂贵，且压电系数低。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。,17,（二） 压电陶瓷 1、 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶

8、瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,2、 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,18,（三） 、压电半导体 1968年出现了多种压电半导体材料，如硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉

9、、碲化锌和砷化镓等。 特点：既有压电特性，又有半导体性质，因此，可研制压电传感器，也可制作半导体电子器件，还可将二者结合，研制新型集成压电传感器。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，还可测温度等参数。 （四）、高分子压电材料 高分子压电薄膜：是某些高分子聚合物经延展和拉伸以及电场极化后具有压电性能的材料，如聚二氟乙烯 优点：耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。 高分子压电陶瓷薄膜：是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末制成的，这种复合材料保持了高分子压电陶瓷薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数。,19,（一）等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测

10、机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，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，其电容量为,压电传感器的等效电路,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为,三、压电式传感器的测量电路,20,压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联 或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。,等效电容,压电传感器等效电路,（a）电压等效电路,（b）电荷等效电路,21,压电传感器的完整等效电路,压电式传感器不适合于静态参数测量,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

11、器输入电阻,22,（二） 测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用： 把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出； 放大压电式传感器输出的弱信号。 前置放大器形式： 电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比； 电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,23,（1）电压放大器,电压放大器等效电路示意图,24,设：等效电阻R为,Fm作用力的幅值,压电元件所受作用力,C=Cc+Ci,而,等效电容为,若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用下，压电元件产生的电压值为,Um电压幅值,由图可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为,25,Ui的幅值Uim为,输入电压与

12、作用力之间的相位差为,令=R(Ca+Cc+Ci)，为测量回路的时间常数，并令0=1/，则可得,可见，如果/01，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时。前置放大器的输入电压Uim与频率无关。一般认为/03，可近似看作输入电压与作用力频率无关。这说明，在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。,26,当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得,因为R1，故上式可以近似为,可见，

13、Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下降。为此常将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。,27,总结： 压电传感器不能测量静态物理量； 当3时，输入与信号频率无关，高频响应特性好； 提高低频响应的办法是增大测量回路时间常数，但不能靠输入电容。实际办法是增大前置输入回路电阻，所以电压放大器响应差，要求前置电路具有高输入阻抗； 从传感器电压灵敏度Ku可见，连接电缆的分布电容Cc影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放

14、大器的缺点。,28,2、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K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。由图可知i的表达式为：,29,根据上式画出等效电路图,CF、RF等效到A的输入端时，电容CF将增大(1K)倍。电导1RF也增大了(1K)倍。所以图中C=(1K)CF；1/R=(1K)1RF，这就是所谓“密勒效应”的结果。,运放输入电压,输出电压,30,当K足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。由于

15、1RFCF,则,若考虑电缆电容Cc，则有,可见当K足够大时，输出电压与K无关，只取决于输入电荷q和反馈电容CF，改变CF的大小便可得到所需的电压输出。 CF一般取值100-104pF。,31,运算放大器的开环放大倍数K对精度有影响，当频率很高时，则 及,由此得K105。对线性集成运算放大器来说，这一要求是不难达到的。,例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)100m=105pF,当要求1%时，则有,则可计算产生的误差为,32,当工作频率很低时，分母中的电导1/Ra+(1+K)/RF与电纳jCaCc(1+K)CF的值相当，电导就不可忽略。此时K足够大，则 其幅值为 当1

16、/ RF = CF时 可见这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应的下限截止频率为,33,可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下限截止频率fL时,反馈电阻RF值也可确定。如当CF=1000pF,fL=0.16Hz时,则要求RF109。,USC与q间的相位误差,34,七、压电式传感器的应用 （一）压电式加速度传感器 （二）压电式压力传感器 （三）压电式流量计 （四）集成压电式传感器 （五）压电传感器在自来水管道测漏中的应用 （六）超声应用,35,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,（一） 压电式加速度传感器 结构：纵向效应型、