《《压电与超声波》ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《压电与超声波》ppt课件（120页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第7章 压电元件与超声波传感器,传感器原理与应用,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,主要内容 7.1 压电效应 7.2 压电材料 7.3 测量电路 7.4 压电式传感器的应用 7.5 超声波传感器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,概述,压电式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,是一种典型的发电型传感器. 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。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,概述,水声（声呐）换能器,压电陶瓷超声换能器,压电加速度计,压电警
2、号,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.1 压电效应,自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非对称两大类，其中非中心对称的21种有20种具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。 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； 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，电荷极性也随之改变.,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.1 压电效应,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 电能 也可以将电能
3、 机械能,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料,自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。 压电材料可以分为两类： 压电晶体、压电陶瓷。,石英晶体特征 天然、人工晶体两种都属于单晶体 化学式为 SiO2，外形无论再小 都呈六面体结构,石英晶体沿各个方向的特征不同，需按特定方向切片。,7.2.1 石英晶体,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.1 石英晶体 单晶体（水晶）,压 电 晶 片,按特定方向切片,人工合成水晶,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.1 石英晶体,Z轴（光轴），
4、晶体的对称轴，不产生压电效应 X轴（电轴），通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，压电效应最为显著。 Y轴（机械轴），垂直于X轴和Z轴，加力产生的变形最大。,石英晶体沿各个方向的特征不同（按特定方向切片）,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.1 石英晶体,压电特性的各向异性可用矩阵表示（略） 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（与材料有关的常数） 在X 轴方向施力时, 产生电荷大小为: d11纵向压电系数，x为X方向应力 在Y 轴方向施力时, 产生电荷大小为: d12横向压电系数，y为Y方向应力 根据晶体的对称性，压电系数 d12 = - d11 a
5、 、b 是晶体切片几何尺寸(长 、厚)，qx、qy 符号决定力的方向。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.1 石英晶体,石英晶体的上述特征与内部分子结构有关，分子六边形分布，三个电偶极矩。 当晶体不受力时（F=0），正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩互成1200夹角，矢量和为零，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轴方向的分量由于 出现上负下正电荷；,动画演示,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.1 石英晶体,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轴方向的分量由于 出现上正下负电荷； 晶体受沿Z
6、轴方向的应力时X、Y方向形变相同不产生压电效应； 应力方向为拉力时，电荷极性与上述相反。,动画演示,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料 7.2.1 石英晶体,石英晶体压电模型,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料 7.2.1 石英晶体,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,动画演示,石英晶体压电模型动画演示,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料 7.2.2 压电陶瓷（多晶体）,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，具有一定的极化方向。,无电场作用时，电畴在晶体中分布
7、杂乱分布，极化相互抵消呈中性。 施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.2 压电陶瓷（多晶体）,外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.2 压电陶瓷（多晶体）,晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系，电荷密度：,d33 压电陶瓷的纵向压电常数，d33 比 d11、
8、d12大的多,所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度比压电晶体高，但极化后的压电陶瓷受温度影响又使压电特性减弱。随时间延长（2年后）d33会下降，作为传感器使用时要经常校准修正。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.4 压电元件主要参数性能,性能参数： 压电常数； 介电常数（高）； 弹性常数； 机械耦合系数； 工作温度。 锆钛酸铅 （压电陶瓷PZT）是一种性能优越的压电陶瓷，是目前最普遍使用的压电材料。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2 压电材料 7.2.3 新型压电材料,石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工
9、。 新型合成高分子材料：PVF聚氟乙烯、 PVF2聚偏二氟乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服这一缺陷，可以作成轻小柔软的压电元件。 灵敏度比PZT（压电陶瓷）大17倍。,压电半导体材料，具有压电特性又有半导体特性，可研制集成压电传感器系统。 这些材料有：(ZnS) (CdTe) (ZnO) (CdS) (GaAs),传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.3 新型压电材料,聚偏氟乙烯压电效应,而这些新型合成材料的分子链中CF键具有极性，有一定的偶极矩； 通常晶胞内的极矩相互抵消整体不显极性，没有压电效应； 必须经过拉伸、极化过程，特殊处理才会具有良好的压电效应。,传感与检测技术
10、,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.5 压电元件结构形式,在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：,压电晶片按 + - - + 粘贴时电路并联,电荷增加一倍，适用于电荷放大器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.5 压电元件结构形式,U,压电晶片按 + - + - 粘贴时电路串联,电压增加一倍适用于电压放大器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.2.5 压电元件结构形式,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3 测量电路 7.3.1 压电传感器等
11、效电路,压电传感器可视为电荷源,视为电荷输出时可等效为电荷源Q和电容Ca并联，开路状态输出端电荷为： 视为电压输出时可等效为电压源U与电容Ca串联，开路状态输出端电压为：,看成具有+、- 极性的电容器，可等效为一个电容器Ca； 电容极板上电压大小与极板间电荷成正比,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.1 压电传感器等效电路,根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种,等效电压源,等效电流源,根据它们之间的关系有：,电压灵敏度,电荷灵敏度,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.1 压电传感器等效电路,等效电压源,等效电流源,当传感器接测量电路时要考虑以下主要因素：
12、 电缆等效电容Cc 接入电路的输入电容Ci 放大器输入电阻Ri 传感器漏电电阻Ra。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.1 压电传感器等效电路,压电元件内阻很高，需要系统前置电路具有高的输入阻抗。解决传感器与前级电路的连接 压电元件输出可以是电压源也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器 、电荷放大器,由等效电路可见，只有在负载RL时受力产生的电荷才能长期保存下来，否则放电回路很快将电荷放掉，因此测量频率较低时必须保证RL很大，即时间常数 RLCa= 大。,前置电路有两个作用：一是放大微弱的信号、二是阻抗变换,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器
13、,7.3.2 测量电路,（1）电压放大器（阻抗变换器）,电压放大器及等效电路示意图,如果压电元件为正弦作用力变化,电压放大器的输入端,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,送入放大器输入端的电压ui写成复数形式 实际幅值 （有效值）,d 压电系数； 信号频率；R = Ra/Ri,传感器上产生的电荷与电压也按正弦变化:,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,输入电压幅值,幅值,相位差,传感器电压灵敏度,实际输入,理想情况,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值
14、为,令前置放大器输入回路的时间常数为,分别得到相对幅频特性和相频特性：,理想,实际,电压放大器讨论： 压电传感器不能测量静态物理量； 优点: 高频响应特性好。 一般认为当 3时输入电压与信号频率无关； 缺点：低频响应差，提高低频响应的办法是增大，但不能靠增加输入电容Ca（RLCa= ），因为电压灵敏度与电容成反比 。实际是增大前置输入回路电阻 Ri 。,从电压灵敏度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，这是电压放大器的缺点。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,R1、R2分压经 Rg 耦合作场效应管偏置。 观察
15、Rg两端电压，信号经C1耦合到Rg的A端，由于场效应管跟随作用，使S（源）G（栅）间电压大小近似相等、相位相同。,电压放大器实例： 用场放应管实现高阻抗匹配的放大自举反馈电路 （跟随器） 阻抗变换电路,信号经C2耦合到Rg的B端，这时Rg两端电压近似相等，相当于Rg上的电流很小，意味着场效应管输入阻抗并没有因偏置分压电路而降低。,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,为解决电缆分布电容Cc 对传感器灵敏度的影响，和低频响应差的缺点可采用电荷放大，集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。可利用电容作反馈元件的
16、深度负反馈的高增益运放。,（2）电荷放大器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,理想情况输出电压为：,压电传感器的输入电路由一个反馈电容Cf 和高增益运算放大器构成。 因运放输入端 Ri 阻抗很高，几乎无分流，可忽略 Ra / Ri 并联，输入只对Cf 充电。,（2）电荷放大器,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,由运放特性可求得电荷放大器输出电压,可认为电荷放大器 满足理想条件,当运算放大器增益满足 K 1（K =104108）,电荷放大器及等效电路,传感与检测技术,第7章 压电元件与超声波传感器,7.3.2 测量电路,通常: Ca = 几十 pf Cc= 100 pf / m Cf
