7 压电传感器(第六章)

1第六章压电传感器主要内容1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.等效电路与测量电路5.压电传感器的应用2概述压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，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。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。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。3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加速度计压电警号46.1压电效应某些电介质（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，电荷的极性也随之改变；这种现象称压电效应。5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”。•所以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。压电元件机械能电能7高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）8行波型超声波电机工作原理shellaxletreerotorpiezoelectricelementbasebearingdiskspringContactlayerVA,VB行波型超声波电机装配结构图超声波电机（逆压电效应）96.2压电材料6.2.1石英晶体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。天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，使用时用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。10天然形成的石英晶体外形11石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装12石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x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y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。136.2.2压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。14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，它有一定的极化方向。无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。15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。施外电场去掉后，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16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：d——压电陶瓷的某一方向的压电常数，qd176.2.3压电效应方程引入三维笛卡尔坐标系（3-DCartesiancoordinatesystem)如图x,y和z轴,立方体形状的压电元件(1)xT1(2)yT2T5T4T6(3)zT3(σ3)(σ2)(σ1)其中,T1,T2和T3分别定义为沿x,yandz轴的拉力应力分量；T4,T5和T6分别为沿x,y和z轴的剪切应力分量；18(1)xT1(2)yT2T5T4T6(3)zT3(σ3)(σ2)(σ1)且,σ1,σ2和σ3表示垂直于x,y和z轴的平面（即x,y和z轴面）上的电荷密度；在单一应力作用下，压电元件某一轴面上的电荷密度可表示为：其中j=1,2,...6表示应力的方向,i=1,2,3表示产生电荷的轴面；iijjdT19(1)xT1(2)yT2T5T4T6(3)zT3(σ3)(σ2)(σ1)dij为压电系数；iijjdTdij称之为纵向（longitudinal/thickness）压电系数,ifi=j；dij为横向压电系数,ifj≤3且i≠j;dij为面切压电系数,ifj-i=3且j≥4；dij为剪切(thickness)shear压电系数,ifj-i≠3且j≥4;20(1)xT1(2)yT2T5T4T6(3)zT3(σ3)(σ2)(σ1)那么：某一轴面的电荷可由下式计算得到：设i=1，即x轴面,受6个应力Tj：6111jjjdT注:压电系数是与材料性质相关的常数，可通过实验的方法得到，其中石英和压电陶瓷（钛酸钡）的压电系数如下：21(1)xT1(2)yT2T5T4T6(3)zT3(σ3)(σ2)(σ1)石英晶体：111114141100000002000000ijdddddd22石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：•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，晶体呈中性；•当晶体受沿X轴方向的压应力时，在X轴的正方向出现正电荷；•当晶体受沿Y轴方向的压应力时，Y方向压缩形变，在X轴的正方向出现负电荷；23(1)xT1(2)yT2T5T4T6(3)zT3(σ3)(σ2)(σ1)15153132330000000000000ijdddddd压电陶瓷(钛酸钡压电系数矩阵：24例2:222FTA6111221jjjdTdT11111221122AlQAdFdFAh(1)xF2yz++++−−(2)lbh石英晶体长宽高分别为：l,b,h；y轴方向压力F2；计算.x轴面的电荷量1)力-应力:2)求电荷密度,3)求电荷量,256.2.3高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。26聚偏氟乙烯压电材料聚偏氟乙烯压电效应27高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆28可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板29压电式脚踏报警器306.3压电元件结构形式单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。2,'2,'CCQQUU+_+_U’电路并联+++++++++++_______________________+++++++++++','2,'2CCUUQQ+_U’_++++++++++++___________++++++++++++____________电路串联31其中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。压电式传感器受力系统中力传递系数为非线性，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。326.4等效电路与测量电路6.4.1压电传感器等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为dACra0式中：A——压电片的面积；d——压电片的厚度；εr——压电材料的相对介电常数。33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。CauaCaq(a)(b)电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为aaCqU34压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图所示。UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCa(a)(b)压电传感器的实际等效电路（a）电压源;（b）电荷源35压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。6.4.2压电式传感器的测量电路362.电荷放大器电荷放大器常作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。dQIdtdFIddtdFIddtF为施加的应力；37dFIddtofUIZ输出电压Uo可表示为：ofdFUdZdt即.Thenithas,111oFffUdFCjRC设：ω0=1/(Rf·Cf)得幅频特性：2011ofUdFC381.可视为一高通滤波器，因此，适宜于测量高速变化的信号；2.灵敏度Uo/F取决于反馈电容Cf,3.因ω0=1/(Rf·Cf),于是提高Rf的值，有利于改善测量电路的低频特性。2011ofUdFC39由运算放大器基本特性，(1)oacifAquCCCAC通常A=104~108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为foCqu406.5压电传感器的应用1、玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。41高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。4243压电传感器只能应用于动态测量由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于100Hz，但在50kHz以上时，灵敏度下降）。442．压电式周界报警系统将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。45463.交通监测将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。47高分子压电电缆的应用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5cm，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，判定汽车的车型。484、压电式动态力传感器车床中用于动态切削力的测量49压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力5051525、压电式振动加速度传感器横向振动测振器纵向振动测振器53压电加速度传感器的安装及使用a)双头螺丝固定b)磁铁吸附c)胶水粘结d)手持探针式1—压电式加速度传感器2—双头螺栓3—磁钢4—粘接剂5—顶针54556、压电振动加速度传感器在汽车中的应用加速度传感器可以用