6压电传感器修改20101103.

第6章压电式传感器本章内容压电式传感器测量电路压电式传感器的工作原理6.16.2压电式传感器应用6.326.1压电式传感器的工作原理电势型传感器以压电效应为基础压电效应可逆“双向传感器”正压电效应:某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。(加力变形产生电荷)3逆压电效应在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场电介质产生变形应力)常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。42020/1/125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。5天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）2、压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性(如图所示)。要使之具有压电性，必须作极化处理。三、压电传感器的结构和应用压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。压电传感器的结构和应用压电陶瓷外形压电传感器的结构和应用无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）压电传感器的结构和应用高分子压电薄膜及拉制压电传感器的结构和应用压电式脚踏报警器压电传感器的结构和应用高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）6.1.1石英晶体的压电效应X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。17Z轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而以它作为基准轴；X轴为电轴，该轴压电效应最为显著，它通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个；Y轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。石英晶体的压电效应图6.1.3石英晶体的压电机构示意图P1＋P2＋P3＝0（P1＋P2＋P3）X00（P1＋P2＋P3）Y＝0（P1＋P2＋P3）Z＝0（P1＋P2＋P3）X0（P1＋P2＋P3）Y＝0（P1＋P2＋P3）Z＝018晶体切片当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷xxFdq11d11——压电系数（C/N）11dXXXXXqFUCC（6.1.4）0XlbCt11XtdU1111XXtUddEtt20（6.1.3）其极间电压为电极面间电容晶体在X轴方向将产生伸缩（6.1.5）Ex——X轴方向的电场强度切片上电荷的符号与受力方向的关系图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。211212XYYYlblqdFdFtbt图6.1.5(c)、(d)，此时电荷的大小为根据石英晶体轴对称条件：1112dd11XYYlqdFt11XYYXXXqlFUdCtC11XlldUt11XldEl由上述可知：①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；②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上—定存在逆压电效应；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。22则其电极间电压为根据逆压电效应，晶片在Y轴方向将产生伸缩变形石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。236.1.2压电陶瓷的压电效应人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化24陶瓷片极化压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。26压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷片上加上一个与极化方向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系FdQ33Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数；F——作用力。27若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图6.1.9所示，内于电场的方间与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变(图中虚线)如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。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，就是逆压电效应。28（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度等外界条件的变化小，温度稳定性好，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素（如钨、铌等），可以获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。压电陶瓷种类296.2压电式传感器测量电路6.2.1等效电路6.2.2测量电路306.2.1等效电路tStsCra0Ua=Caq图6.2.1压电传感器的等效原理31压电式传感器的等效电路(a)等效成一个电压源Ua=q/Ca和一个电容Ca的串联电路(b)等效为一个电荷源q与一个电容Ca并联的电路32图6.2.3压电传感器的完整等效电路如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线的等效电容、电阻，前置放大器的输入电阻、输入电容。压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频(或准静态)响应，就要求压电传感器的绝缘电阻保持在1310才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。以上336.2.2测量电路压电式传感器的前置放大器有两个作用：一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比；另一种是电荷放大器．其输出电压与输入电荷成正比。341电压放大器Ca：传感器的电容Ra：传感器的漏电阻Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容iaiaRRRRRciC=C+CUa=Caq35等效电阻R为等效电容为前置放大器输入电压RCjRiUi1压电元件的力F=Fmsinωt压电元件的压电系数为d33，产生的电荷为Q=d33·F。tFddtdQimcos33FdjI33输入电压的幅值当作用力是静态力（ω=0）时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。33im222acidFωRU1ωR(C+C+C)mi33ajωRU=dF1+jωR(C+C)36输入电压与作用力之间的相位差：)(arctan2icaCCCR令)(CiCcCaR为测量回路的时间常数令103333im2aci0dFωRdFU=C+C+C1(ω/ω)mm3333im2aci0dFωRdFU=C+C+C1(ω/ω)mm如果0ω/ω1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imU与频率无关。0ω/ω3可以近似看做输入电压与作用力频率无关。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，CC将改变,imU也随之变化scimU=AU-也变化在设计时，常常把电缆长度定为一常值。因而在使用时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值38（6.2.9）im33u22aciUdK==F1(C+C+C)ωRm33uacidKC+C+C（6.2.10）传感器的电压灵敏度与回路电容成反比，增加回路电容必然使传感器的灵敏度下降。为此常将输入内阻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。392电荷放大器能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010~1012Ω，输出阻抗小于100Ω。使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。40压电传感器与电荷放大器等效电路A0是放大器的开环增益，（-A0）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。scFF1i=(UU)jC+R0FF1[U(U)]jC+RA0F0F1=U[j(1)C+(1)]RAA41（6.2.11）0F0F1i=U[j(1)C+(1)]RAACF、RF等效到A0的输入端时，电容CF增大(1＋A0）倍，1/RF也增大了(1＋A0）倍，这就是所谓“密勒效应”的结果。0FC'=(1)CA0F1/R'=(1)1/RA00FFjqU11(1)(1)CRaaAjCAR0sc000FFjqUU11(1)(1)CRaaAAAjCAR若考虑电缆电容CC，，则有0sc00FFjqU11(1)(1)CRacaAAjCCAR（6.2.13）（6.2.12）几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线性关系的输出电压。3、反馈电容CF小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择合适的反馈电容。0sc0FFqU(1)CCAqA43A0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。USC只决定于输入电荷q和RF、CF由于FF1/RC6.3压电式传感器应用6.3.1压电式加速度传感器6.3.2压电式压力传感器6.3.3压电式流量计44压电传感器的应用1．压电晶体振荡器；2.压电式测力传感器3．压电加速度计传感器；4．压电式玻璃破碎报警器；5．血压测量；6．压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；7．新型压电材料（聚偏二氟乙烯）6.3.1压电式加速度传感器有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应型是最常见的一种结构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，此力为Fma3333qdFdma46电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电材料压电系数d33和质量块质量m有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片增加压电片的数目和采用合理的连接方法也可以提高传感器灵敏度。3333qdFdma48当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即F=ma（6-14）式中：F——质量块产生的惯性力；m——质量块的质量