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1、主要內(nèi)容,壓電傳感器工作原理------壓電效應(yīng) 壓電材料(石英、壓電陶瓷）特性 壓電傳感器等效電路及測量電路 壓電傳感器應(yīng)用,壓電式傳感器,作業(yè)： 6-1，6-5,壓電式傳感器是一種有源的雙向機電傳感器。 工作原理：基于壓電材料的壓電效應(yīng)。 特點：使用頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、 工作可靠、質(zhì)量輕及測量范圍廣等優(yōu)點。 應(yīng)用：測量加速度、壓力、位移、溫度、濕度等。,6.1壓電效應(yīng)及壓電材料 正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時，電荷
2、極性也隨著改變。 逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。,1.正壓電效應(yīng)演示,當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。,,若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會產(chǎn)生機械變形。當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）,2.逆壓電效應(yīng),壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料 石英晶體 壓電效應(yīng)弱，性能穩(wěn)定 分類 壓電陶瓷 壓電效應(yīng)強，性能穩(wěn)定性差
3、 高分子壓電材料 新型壓電材料 壓電傳感器大多是利用壓電材料的壓電效應(yīng) （在超聲和電聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)）,,壓電材料,壓電材料應(yīng)具備以下幾個主要特性： 轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。 機械性能。機械強度高、剛度大。 電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。 環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。 時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。,在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當(dāng)溫度升高到573時，石英晶體將完全失去壓電特性，這就是它的居里點。 石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，它有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能。但石
4、英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準儀器或要求較高的傳感器中。,1.石英晶體,石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體沒有區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。 因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。在設(shè)計石英傳感器時，應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。,石英晶體,天然形成的石英晶體外形,石英晶體切片及封裝,石英晶體薄片,雙面鍍銀并封裝,2.壓電陶瓷,壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此
5、目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷 。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷 （如BaTiO3等）。,壓電陶瓷主要有以下幾種： 1. 鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。,2. 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點溫度在300以上
6、，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。,壓電陶瓷外形,,無鉛壓電陶瓷及其換能器外形,,1. 壓電半導(dǎo)體材料 壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。,新型壓電材料,2. 高分子壓電材料 某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有
7、聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。,高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜,,石英晶體的壓電效應(yīng)機理 天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ軸同時垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。,,,,,,Z,X,Y,(a),(b),石英晶體 (a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Z,Y,X,通常把沿電軸X
8、X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,作用力與電荷的關(guān)系,若從晶體上沿y方向切下一塊如圖所示的晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力x時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度P11與應(yīng)力x 成正比。,通常把沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,石英晶體受力方向與電荷極性關(guān)系,極化強度即：,d11壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)
9、生電荷的面 的軸向及施加作用力的軸向； a、c石英晶片的長度和寬度。,而P11在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度,將以上兩式聯(lián)立，得,若在同一切片上，沿機械軸y方向施加應(yīng)力y，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為,,根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11 = -d12，則：,, 當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)； 沿機械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的； 晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)； 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間皆呈線性
10、關(guān)系。,結(jié)論,壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。 在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。,壓電陶瓷的壓電效應(yīng)機理,在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性
11、。 當(dāng)極化后的鐵電體受到外力的作用時，其剩余極化強度將隨之發(fā)生變化，在一定的表面分別產(chǎn)生正負電荷。壓電陶瓷在極化方向上壓電效應(yīng)最明顯，定義為Z軸，垂直于z軸的任何直線都可作為X軸或Y軸。,壓電陶瓷的極化 (a) 未極化; (b) 電極化,對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向為z軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸，這是和石英晶體的不同之處。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會出現(xiàn)電荷，其電荷量q與作用力Fz成正比，即,式中： d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； Fz作用力。,,壓電陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx時，在垂直于z軸的上、下平面
12、上分別出現(xiàn)正、負電荷，其電荷量q與作用力Fy、Fx也成正比，即,,式中 A z極化面面積； Ax、A y受力面面積； d32、d31壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù),壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。,6.2 壓電式傳感器的測量電路 等效電路：當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應(yīng)力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器，如圖(a)。 也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如
13、圖(b)。,當(dāng)兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為,其電容量為,二、測量轉(zhuǎn)換電路,1壓電元件的等效電路,a為電荷等效電路,b為電壓等效電路,由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要轉(zhuǎn)換電路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。,注意,壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖(b)。,傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標(biāo)定
14、以及低頻準靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。,如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應(yīng)考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。,壓電傳感器的完整等效電路,Ca傳感器的固有電容 Ci 前置放大器輸入電容 Cc 連線電容 Ra傳感器的漏電阻 Ri前置放大器輸入電阻,可見，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減
15、少到滿足一般測試精度的要求。相應(yīng)測量電路也應(yīng)有較大的時間常數(shù)，即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將也會通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測量誤差。,壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用： 把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出； 放大壓電式傳感器輸出的弱信號。 前置放大器形式： 電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比； 電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 1、電壓放大器,圖（b）中，等效電阻R為,Fm作用力的幅值,壓電元件所受作用力,C=Cc+Ci,等效電容為,若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d33，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為,Um電壓幅
16、值,由圖(b)可得放大器輸入端的電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為,而,,,Ui的幅值Uim為,輸入電壓與作用力之間的相位差為,令=R(Ca+Cc+Ci)，為測量回路的時間常數(shù)，并令0=1/，則可得,可見，如果/01，即作用力變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠大于1時。前置放大器的輸入電壓Uim與頻率無關(guān)。一般認為/03，可近似看作輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。這說明，在測量回路時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。,,,,但是，當(dāng)被測動態(tài)量變化緩慢，而測量回路時間常數(shù)不大時，會造成傳感器靈敏度下降，因而要擴大工作頻帶的低頻端，就必須提高測量回路的時間常數(shù)。但是靠增大測量回路的電容來提高
17、時間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得,因為R1，故上式可以近似為,可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應(yīng)也越好。當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。,,,壓電式傳感器不能測量靜態(tài)量;,,,,,,,,,不能隨意更換電纜,將改變傳感器的靈敏度。,傳感器靈敏度,2、電荷放大器 電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運
18、算電流僅流入反饋回路CF與RF。,,圖中A為運算放大器增益。由于運算放大器輸入阻抗極高, 放大器輸入端幾乎沒有分流。,由運算放大器基本特性, 可求出電荷放大器的輸出電壓,,通常A=104106, 因此若滿足（1+A）Cf <
19、,,,,,,,,,,運動方向,2,1,3,4,5,縱向效應(yīng)型加速度 傳感器的截面圖,壓電式加速度傳感器 壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。,qd33Fd33ma,6.3 壓電式傳感器應(yīng)用,壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為,F作用于壓電片
20、上的力； d11壓電系數(shù)； P壓強， ； S膜片的有效面積。,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,3,4,5,6,p,壓電式測壓傳感器原理圖,壓電式流量計 利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。,此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。
21、,集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。,脈搏計照片,典型應(yīng)用： 脈搏計數(shù)探測 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤 振動、沖擊、碰撞報警 振動加速度測量 管道壓力波動 其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等,高分子壓電材料的應(yīng)用 玻璃打碎報警裝置 玻璃破碎時會發(fā)出幾千赫茲至超聲波（高于20kHz）的振動。將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到這一振動，并將電壓
22、信號傳送給集中報警系統(tǒng)。,壓電式周界報警系統(tǒng) 周界報警系統(tǒng)又稱線控報警系統(tǒng)。它警戒的是一條邊界包圍的重要區(qū)域。當(dāng)入侵者進入防范區(qū)之內(nèi)時，系統(tǒng)就會發(fā)出報警信號。 交通監(jiān)測 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以判定車速、載荷分布、車型等。,,壓電式傳感器,壓電傳感器振動分析,將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。,（二）交通監(jiān)測,,高分子壓電電纜的應(yīng)用演示,將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根
23、據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。,（三）壓電式玻璃破碎報警器,將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。,,粘貼位置,,使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q ，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。,帶通濾波使玻璃振動頻率范圍內(nèi)的輸出電壓信號通過，其它頻段的信號濾除。 比較器作用是當(dāng)傳感器輸出信號高于設(shè)定的閾值時, 輸出報警信號, 驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。如進行聲光報警。,（四）壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量,,,,（五）壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用,壓電式步態(tài)分析跑臺,壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置,壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力,
《壓電式傳感器》課件
