第一讲压电式传感器课件.ppt

1、河南工业职业技术学院电气工程系第第3 3章章 物性型传感器物性型传感器掌握物性型传感器的基本特掌握物性型传感器的基本特 性和工作原理、典型测量电路性和工作原理、典型测量电路了解其典型应用了解其典型应用第一讲第一讲 压电式传感器压电式传感器v一、一、压电效应压电效应与压电材料与压电材料v二、二、压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路v三、三、压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路v四、四、压电传感器的结压电传感器的结构形式构形式v五、五、压电传感器的应压电传感器的应用用一、压电效应与压电材料一、压电效应与压电材料如压电式、霍尔式、光电式、光纤及激光传感器。如压电式、霍尔式、光电式、光纤及激光

2、传感器。1 1、物性型传感器、物性型传感器利用材料的固态物理特性及效应实现非电量转换的传感器。利用材料的固态物理特性及效应实现非电量转换的传感器。2 2、压电式传感器、压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器压电式传感器是一种典型的有源传感器(或发电型或发电型传感器传感器)。它利用压电效应把非电量转换为电量。它利用压电效应把非电量转换为电量。力敏元件力敏元件。凡是能够变换为力的物理量，如应力、压。凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、加速度等，均可用其进行测量。力、加速度等，均可用其进行测量。可逆型换能器可逆型换能器。常用作超声波发射与接收装置常用作超声波发射与接收装置压电式传感器具

3、有体积小，重量轻，精确度高和灵敏度高等优点。压电式传感器具有体积小，重量轻，精确度高和灵敏度高等优点。3 3、压电效应、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，内某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。电荷极性也随着改变。l正压电效应（顺压电效应）：正压电效应（顺压电效应）：l逆压电效应（电致伸缩效应）：逆压电效应（电致伸缩效应）

4、：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的现象。力也随之消失的现象。当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压当力的方向改变时，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。荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。石石英英晶晶体体的的压压电电效效应应演演示示4 4、压电材料、压电材料 有压电效应

5、的物质很多，常见的有石英晶体，压电陶瓷，压电有压电效应的物质很多，常见的有石英晶体，压电陶瓷，压电薄膜等。压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；薄膜等。压电晶体，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。压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。转换性能。要求具有较大压电常数。转换性能。要求具有较大压电常数。机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。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。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分电性

6、能。希望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。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好，要求具有较高的环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。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。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。对压电材料特性要求：对压电材料特性要求：5 5、石英晶体的压电效应、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，其中纵向轴晶体学中它可用三根互相

7、垂直的轴来表示，其中纵向轴Z ZZ Z称为称为光轴光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X XX X轴称为轴称为电轴电轴；与；与X XX X轴和轴和Z ZZ Z轴同时垂直的轴同时垂直的Y YY Y轴轴（垂直于正六面体的棱面）称为（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴。ZXY(a)(b)X图图3-1-1 3-1-1 石英晶体石英晶体(a a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 (b b)坐标系坐标系石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应。沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电

8、效应。1 1）纵向压电效应）纵向压电效应当沿电轴方向施力当沿电轴方向施力Fx，在垂直于电轴的平面上产生，在垂直于电轴的平面上产生电荷。在晶体的线性弹性范围内，电荷量与力成正电荷。在晶体的线性弹性范围内，电荷量与力成正比，可表示为比，可表示为xxxFdQ11为纵向压电系数其中N，Cd/1031.21211 可以看出，纵向压电效应与晶片的尺寸可以看出，纵向压电效应与晶片的尺寸无关。压电效应的方向如图无关。压电效应的方向如图3-1-23-1-2所示，当施所示，当施加压缩力时，在朝向加压缩力时，在朝向x x轴正方向的一面产生正轴正方向的一面产生正电荷，另一面则产生负电荷；当施加拉伸力电荷，另一面则产生

9、负电荷；当施加拉伸力时，电荷的极性相反。时，电荷的极性相反。图3-1-2 如果沿如果沿y轴施力为轴施力为Fy时，电荷仍出现在与时，电荷仍出现在与x轴垂直的平轴垂直的平面上，其电荷量为面上，其电荷量为2 2）横向压电效应）横向压电效应lFdQxxy12厚度分别为压电片的长度和为横向压电系数l、dd,1112 可以看出，横向可以看出，横向压电效应与晶片的几压电效应与晶片的几何尺寸有关；横向压何尺寸有关；横向压电效应的方向与纵向电效应的方向与纵向压电效应相反。压电效应相反。3）在光轴方向受力时不产生压电效应。）在光轴方向受力时不产生压电效应。图图3-1-33-1-36 6、压电陶瓷的压电效应、压电陶

10、瓷的压电效应直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷

11、内极化强度为零，见图（陶瓷内极化强度为零，见图（a a）。）。只有在一定的高温只有在一定的高温(100-170)(100-170)下，对两个极化面加下，对两个极化面加高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩高压电场进行人工极化后，陶瓷体内部保留有很强的剩余极化强度，当沿极化方向余极化强度，当沿极化方向(定为定为z z轴轴)施力时，则在垂直施力时，则在垂直于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量于该方向的两个极化面上产生正、负电荷，其电荷量Q Q与与力成正比，即力成正比，即FdQ33 同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化

12、方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。电效应。压电陶瓷外形压电陶瓷外形7 7、高分子压电材料（、高分子压电材料（PVDFPVDF）PVDF PVDF有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的有很强的压电特性，同时还具有类似铁电晶体的迟滞特性和热释电特性，因此广泛应用于压力、加速度、迟滞特性和热释电特性，因此广泛应用于压力、加速度、温度、声和无损检测等。温度、声和无损检测等。PVDF PVDF有很好的柔性和加工性能，可制成有不同厚度有很好的柔性和

13、加工性能，可制成有不同厚度和形状各异的大面积有挠性的膜，适于做大面积的传感和形状各异的大面积有挠性的膜，适于做大面积的传感阵列器件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频阵列器件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。带宽。高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现等值反号的电荷。可把压用时，在它的两个极面上出现等值反号的电荷。可把压电传感器看成一个两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘电传感器看成一个两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘

14、体的电容器，当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现体的电容器，当两极板聚集一定电荷时，两极板就呈现一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源一定的电压。因此，压电元件可等效为一个电荷源Q和一和一个电容个电容Ca的并联电路；也可等效为一个电压源的并联电路；也可等效为一个电压源Ua和一个和一个电容电容Ca的串联电路，如图的串联电路，如图3-1-4所示。所示。d）图图3 3-1-1-4 4 压电元件的压电元件的等效电路等效电路a a）原理图）原理图 b b）电荷源）电荷源 c c）电压源）电压源 d d）电路符号）电路符号 传感器内部信号电荷无传感器内部信号电荷无“漏损漏损”，外电路负载无穷大时，压

15、电传感器受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，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，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，压电晶体电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。不适合于静态测量。如果用

16、导线将压电传感器和测量仪器连接时如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线则应考虑连线的等效电容的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。前置放大器的输入电阻、输入电容。CaRaCcRiCiq压电传感器的压电传感器的完整等效电路完整等效电路Ca传感器的固有电容传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路v把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；v放大压电式传感器输出的弱信号放大压电式传

17、感器输出的弱信号。1 1、压电式传感器的前置放大器的作用：、压电式传感器的前置放大器的作用：电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；输出电压）成正比；电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。，其输出电压与输入电荷成正比。2 2、前置放大器形式：、前置放大器形式：3 3、电荷放大器、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，其基本电路如下图。若放大器的开环增益器，其基本电路如下图。若放大器的开环增益A A0 0足够足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几大，

18、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乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路C Cf f与与R Rf f。图图3-1-5 电荷放大器原理电路电荷放大器原理电路 根据深度负反馈放大电路原理，电荷放大器的输出电压为根据深度负反馈放大电路原理，电荷放大器的输出电压为ffoCQCAQAU001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。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。当当A A0 0足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与A A0 0无关，只取决无关，只取决于输入电荷于输入电荷Q Q和反馈电容和反馈电容C Cf f，改变，改变C Cf f的

19、大小便可的大小便可得到所需的电压输出。得到所需的电压输出。C Cf f一般取值一般取值100-10100-104 4pFpF。实际的电荷放大器由电荷转换级、适调放大级、实际的电荷放大器由电荷转换级、适调放大级、低通滤波级、电压放大级、过载指示电路和功放级六低通滤波级、电压放大级、过载指示电路和功放级六部分组成。部分组成。三、压电传感器的结构形式三、压电传感器的结构形式 在压电传感器中，压电元件一般不用单片，常采在压电传感器中，压电元件一般不用单片，常采用两片或两片以上粘结在一起。用两片或两片以上粘结在一起。由于压电材料是有极性的由于压电材料是有极性的,因此连接方法有并联因此连接方法有并联和串联

20、两种。与单片相比，两片并联时，输出电压相和串联两种。与单片相比，两片并联时，输出电压相同，电荷量为两倍，电容量为两倍，适用于测量缓慢同，电荷量为两倍，电容量为两倍，适用于测量缓慢变化的信号和以电荷作为输出量的场合；两片串联时，变化的信号和以电荷作为输出量的场合；两片串联时，输出电荷量相等，输出电压为两倍，总电容量为二分输出电荷量相等，输出电压为两倍，总电容量为二分之一，适合于以电压为输出信号及高输入阻抗的测量之一，适合于以电压为输出信号及高输入阻抗的测量电路。电路。在安装压电片时必须加一定的预应力，一在安装压电片时必须加一定的预应力，一方面保证在交变力作用下，压电片始终受到压方面保证在交变力作

21、用下，压电片始终受到压力；另一方面使两压电片间接触良好，避免在力；另一方面使两压电片间接触良好，避免在受力的最初阶段接触电阻随压力变化而产生的受力的最初阶段接触电阻随压力变化而产生的非线性误差。但预应力太大，将影响灵敏度。非线性误差。但预应力太大，将影响灵敏度。+(a)并联(b)串联叠层式压电元件+qd33Fd33maQd33Fd33ma四、压电传感器的应用四、压电传感器的应用图3-1-6 压电式加速度计压电式加速度计压缩式压缩式 压电元件常用两片压电陶瓷组成，两压电片间的金属片压电元件常用两片压电陶瓷组成，两压电片间的金属片为一电极，基座为另一电极。在压电片上放一个质量块，用为一电极，基座为

22、另一电极。在压电片上放一个质量块，用一弹簧压紧施加预应力。通过基座底部的螺孔将传感器紧固一弹簧压紧施加预应力。通过基座底部的螺孔将传感器紧固在被测物体上，传感器的输出电荷（或电压）即与被测物体在被测物体上，传感器的输出电荷（或电压）即与被测物体的加速度成正比。的加速度成正比。其优点是固有频率高，其优点是固有频率高，频率响应好，有较高灵敏度，频率响应好，有较高灵敏度，且结构中的敏感元件不与外且结构中的敏感元件不与外壳直接接触，受环境影响小，壳直接接触，受环境影响小，目前应用较多。目前应用较多。1 1、压电加速度传感器、压电加速度传感器2 2、压电式压力传感器、压电式压力传感器图图3-1-7 膜片

23、式膜片式压电式压力传感器压电式压力传感器膜片起密封、预压和传递压力的作用膜片起密封、预压和传递压力的作用 传感器具有很高的固有频传感器具有很高的固有频率率(高达高达100kHz100kHz以上以上)，尤其适，尤其适用于动态压力测量。用于动态压力测量。将高分子压电将高分子压电测振薄膜粘贴在玻测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出玻璃破碎时会发出的振动，并将电压的振动，并将电压信号传送给集中报信号传送给集中报警系统。警系统。粘贴粘贴位置位置3 3、玻璃打碎报警装置、玻璃打碎报警装置高分子压电高分子压电电缆的应用电缆的应用演示演示 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。汽车的车型。