压电式传感器

压电式传感器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。第一节压电传感器的工作原理压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。压电效应：某些物质受力作用时，表面电荷产生的现象。这种现象是可逆的。是一种发电式传感器是一种典型的双向传感器压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。压电元件具有自发电和可逆两种重要性能。体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高。优点无静态输出、输出阻抗高、工作温度较低。缺点压电效应Def：某些晶体在压力作用下，不仅产生形变，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，形成电场，去除外力后又重新回到不带电荷的平衡状态，这种现象称为压电效应。一、压电效应Def：将具有压电效应的晶体置于电场中，其几何尺寸（或应力）发生变化，撤去外界电场后，又恢复原状的现象，称为逆压电效应。压电效应一、压电效应压电晶体FF+++++++－－－－－－－－机械能电能压电效应逆压电效应压电效应一、压电效应压电效应具有压电效应的晶体。压电晶体以压电效应工作的传感器。压电式传感器一、压电效应压电电源、自动点火装置、测压力、加速度、振动（力敏元件）等。压电效应一、压电效应正压电效应的应用：逆压电效应的应用：超声波发生器、压电扬声器、压电谐振器、电子手表、微驱动等。压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声纳、压电声表面波器件。压电效应一、压电效应正、逆压电效应的应用：生物具有压电性。人的各种感官是生物压电传感器。二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电单晶体（如上述的石英晶体如sio2）；另一类是压电多晶体经过极化处理的压电陶瓷；第三类是新型压电材料高分子压电材料、压电半导体。（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形zyx压电材料一、压电单晶体光轴z电轴x机械轴y压电材料一、压电单晶体光轴z过棱锥的两顶点zyx沿光轴的作用力，不产生压电效应，又称为中性轴。压电材料一、压电单晶体电轴x与z轴垂直的平面内，平分相邻柱面的内夹角.zyx垂直于此轴的晶面上具有最强的压电效应。压电材料一、压电单晶体机械轴y垂直于六边形对边。zyx电场作用下，沿此方向逆压电效应最强.纵向压电效应压电材料一、压电单晶体+-yxFxFx纵向压电效应压电材料一、压电单晶体沿X轴作用力Fx，在与X轴垂直的表面上产生电荷。qxKFx＝（3）K－纵向压电常数横向压电效应压电材料一、压电单晶体FyFyyx+-横向压电效应压电材料一、压电单晶体沿Y轴作用力Fy，在与X轴垂直的表面上产生电荷。--K’－横向压电常数SxlqydyFy＝（3）＝Sy-K’Fyδ切向压电效应压电材料一、压电单晶体FyFyyxFxFx切向压电效应压电材料一、压电单晶体大小与剪应力成正比，与晶体尺寸无关垂直X轴作用力σx，在与Y轴垂直的表面上产生电荷。垂直Y轴作用力σy，在与X轴垂直的表面上产生电荷。（二）压电陶瓷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）。多种材料烧结而成，制作方便，成本低；压电常数是压电晶体的数百倍，灵敏度大；稳定性差。压电材料一、多晶体压电陶瓷压电陶瓷外形（三）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。高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）PIEZOSensor§4等效电路与测量电路一、等效电路++++++++++++----FPIEZOSensor§4等效电路与测量电路一、等效电路++++++++++++----+-+-QPIEZOSensor§4等效电路与测量电路一、等效电路+-+-CaPIEZOSensor§4等效电路与测量电路一、等效电路+-+-RaaaqeCea：开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。2.测量电路等效电荷源Cc:分布电容；Ri:输入电阻；Ra:漏电阻；Ci:输入电容PIEZOSensor§4等效电路与测量电路一、等效电路RaCaQPIEZOSensor§4等效电路与测量电路二、灵敏度FQUPIEZOSensor§4等效电路与测量电路二、灵敏度电荷灵敏度kq电压灵敏度kukq＝Q/F(1)ku＝U/F(2)两者关系：kq＝kuCa(3)PIEZOSensor§4等效电路与测量电路二、灵敏度灵敏度：kq＝Q/Fku＝U/F问：如何提高灵敏度？提高输出电荷Q提高输出电压UPIEZOSensor压电式传感器－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－(a)(b)＋＋＋＋PIEZOSensor§4等效电路与测量电路二、灵敏度问：如何提高灵敏度？多个压电晶体并联+++－－－+++－－－QΣ＝nQUΣ＝UCΣ＝nCPIEZOSensor§4等效电路与测量电路二、灵敏度问：如何提高灵敏度？多个压电晶体串联+++－－－+++－－－QΣ＝QUΣ＝nUCΣ＝C/n放大器电路的作用：信号放大放大传感器微弱的输出信号。阻抗转换把高阻抗输入转换成低阻抗输出。PIEZOSensor§4等效电路与测量电路三、放大电路两种放大电路：电压放大器输出电压与输入电压成正比。电荷放大器输出电压与输入电荷成正比。PIEZOSensor§4等效电路与测量电路三、放大电路压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：(1)放大微弱的压电信号(2)进行阻抗匹配电压放大器电荷放大器(1).主要作用电压放大器~-AUUiU。PIEZOSensor§4等效电路与测量电路三、放大电路电荷放大器-AQUiU。CaCFPIEZOSensor§4等效电路与测量电路三、放大电路qCaRaCcCiRieiey压电传感器电缆电荷前置放大器N-KRfCfqtqfq≈qt+qf=ui(Ca+Cc+Ci)+(ui-uy)Cf=uiC+(ui-uy)CfffyKCCCKqu)(fyffCquthenCCKCIf)(ui=(q+uyCf)/(C+Cf)推导fCS1(3).电荷放大器电荷放大器的突出特点：电缆长度及其分布不影响传感器正常工作。电荷放大器的截止频率低、是电压放大器截止频率的1/A.PIEZOSensor§4等效电路与测量电路三、放大电路性能比较特性电荷电压高频特性好好截止频率电压放大器的1/A较高复杂程度电路复杂、昂贵简单、成本低电缆电容影响小影响大PIEZOSensor§4等效电路与测量电路三、放大电路(1)无静态输出；(2)输出阻抗高；(3)体积小，结构简单，工作可靠；(4)固有频率高，动态响应好，灵敏度高；(5)压电式传感器是发电式、双向传感器。一、应用特点PIEZOSensor§5应用传感器：主要用于测力、振动、加速度压电元件：自动点火，如打火机；扬声器，如贺卡、手机等蜂鸣器；驱动，如压电马达、电子手表。压电式传感器是一种力敏传感器。PIEZOSensor§5应用二、应用范围力敏传感器如触觉传感器、脉搏计、血压计等。声敏传感器如拾声器、超声波探测器、助听器等。加速度传感器如压电加速度传感器、压电陀螺等。PIEZOSensor§5应用二、应用范围压电式加速度传感器电式加速度传感器结构图预压弹簧压电元件外壳质量块基座压电式刀具切削力测量示意图压电传感器输出信号由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。PIEZOSensor§5应用三、应用实例东风十一型短程地对地弹道导弹导航：压电、惯性测振动、脉搏计等。BS-D2压电式玻璃破碎传感器（a）外形;（b）内部电路(a)(b)压电式玻璃破碎报警器BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。