压电式传感器解析

2020/3/161压电器件受力、表面形变电荷2020/3/162压电式传感器的工作原理一、压电效应1、正（顺）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)2020/3/163压电介质正压电效应Q(E)电能T(S)机械能逆压电效应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)2020/3/164二、压电材料简介压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度常用压电材料的性能参数：2020/3/165类别材料成分特性石英晶体单晶体、水晶（人造、天然）SiO2d11=2.31×10-12C/N，压电系数稳定，固有频率稳定承受压力700-1000Kg/cm2压电陶瓷人造多晶体钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系压电系数高d33=190×10-11C/N品种多、性能各异新型压电材料压电半导体压电特性半导体特性集成压电传感器有机高分子压电材料质轻柔软、抗拉强度高、机电耦合系数高常用压电材料2020/3/166石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2020/3/167石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振2020/3/168三、石英晶体的压电特性石英居里点573℃，六角晶系结构光轴电轴机械轴2020/3/169晶片上电荷极性与受力方向的关系(a)xyxy(b)当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为qx=d11Fx式中:d11——x方向受力的压电系数;Fx——作用力2020/3/1610若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为qy=d12fya/b式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;a、b——晶体切片长度和厚度。晶片上电荷极性与受力方向的关系xxy(c)(d)y2020/3/1611四、压电陶瓷的压电现象人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体电畴未极化前：不具压电性撤销外电场加外电场E2020/3/1612对外不呈极性加力F：放电现象取消F：充电现象机械能电能正压电效应：ijqdF2020/3/1613－－－－－－－－－－极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋2020/3/1614常见压电陶瓷：（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、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，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。2020/3/1615压电陶瓷外形2020/3/1616压电式传感器的等效电路和测量电路一、压电晶片的连接方式2020/3/1617压电式传感器的等效电路和测量电路一、压电晶片的连接方式（1）并联：UUqqCC,2,2（2）串联：UUqqCC2,,212020/3/1618二、压电传感器的等效电路CaUCaQ(电荷等效电路)(c)b电压等效电路图等效电路＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－电极压电材料(a)压电片电荷聚集(b)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(c)等效成一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca的串联电路2020/3/1619三、压电传感器的测量电路压电式传感器的特点：高阻抗，低能量。接入高输入阻抗前置放大器的作用：1）放大压电传感器微弱的输出信号；2）把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。–电压放大器–电荷放大器2020/3/1620三、压电传感器的测量电路1、电压放大器tsinFFmicCCCididRRRRRmaaaqdFdFUsintCCCUCaRaCcRiCi(a)电压等效电路图压电传感器接至电压放大器的等效电路KU0UiUCRRf(b)简化的电压等效电路KU0UiCa2020/3/16211()jRdFjRCaC111111iRdFjCUCaRRjCjCjCaRjC前置放大器输入端电压：2020/3/16222221()micidFRURCaCC前置放大器输入端电压幅值：()2ciarctgRCaCC输入电压与作用力间的相位差：222()1()ieciieciURCCCURCCC理想2221()micidFRURCaCC111()ciRCaCC()ciRCaCC时间常数当作用力是静态力（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。2020/3/1623imimUU图电压幅值比和相角与频率比的关系曲线1211imimUwwUww1arctan2ww1ijRacimimaciCCCdFuCCC当/（）时，2020/3/1624电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。2020/3/1625QRaCcRiCiCa()a电荷等效电路图电荷放大器原理图－KU0UiQRfC()b简化的电荷等效电路－KU0UiU0Cf2、电荷放大器)()()()(acioaciiifoofoiffiCCCAUCCCUQCUAUCUUQQQQ2020/3/1626)()()()(acioaciiifoofoiffiCCCAUCCCUQCUAUCUUQQQQ2、电荷放大器fCqUK10灵敏度与电缆电容无关fficacfCQCkCCCkQUU)1(02020/3/1627电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：ofQuC电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。2020/3/1628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变化成线形关系的输出电压。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，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）2020/3/1629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。压电传感器的应用2020/3/1630压电元件的变形图压电元件的变形方式＋－f－＋f－＋ff(a)厚度变形(b)长度变形(c)体积变形(d)厚度剪切变形－＋ffffff2020/3/1631例1：压电式测力传感器压电式三向力传感器2020/3/1632压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量2020/3/1633例2：压电式压力传感器Fdq11SPF电极结构预紧力2020/3/1634例3：压电引信压电陶瓷：弹丸起爆装置——破甲弹2020/3/1635例4：火炮堂内压力测试发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。2020/3/1636例5：压电式加速度传感器madFdqCdmaCqUmaF——重块质量——加速度ma2020/3/1637压电式振动加速度传感器的结构及外形横向振动测振器纵向振动测振器2020/3/1638例6单向压电式测力传感器用于机床动态切削力的测量。2020/3/1639例7：汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体2020/3/1640例8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。2020/3/1641例9：振动测量仪加速度160ug~10g速度0.4~80cm/s振幅4um~8cm转换开关SA：V：D：amadFdq积分：振动速度、幅值2020/3/1642振动的频谱分析及仪器时域图形测量时域图形用的是示波器，测量频域图形用频谱仪.2020/3/1643频谱仪频域图形（频谱图）频谱图或频域图：它的横坐标为频率f，纵坐标可以是加速度，也可以是振幅或功率等。它反映了在频率范围之内，对应于每一个频率分量的幅值。2020/3/1644频域图形对应于时域波形（失真的正弦波）的谱线图2020/3/1645基波与3次谐波合成的波形2020/3/1646方波可分解成同频基波及3、5、7……奇次谐波2020/3/1647依靠频谱分析法进行故障诊断减速箱故障分析b）频域波形a）时域波形2020/3/1648例10：压电式血压传感器例11：指套式电子血压计2020/3/1649例12：玻璃破碎报警器粘贴位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。2020/3/1650用于结冰状况监测的冰传感器结冰现象的危害：铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、冷库物资防冰、飞机安全飞行结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度基于压电效应的冰传感器原理：三电极片式压电器件：1电极金属平板2电极3电极压电晶体电极引线支撑安装孔1电极2电极3电极压电晶体2020/3/1651电极引线支撑安装孔1电极2电极3电极压电晶体电极1、2间加交变电压：压电晶体机械振动，系统的谐振频率：mkcf/k——等效刚度m——等效质量冰层检测原理：极板1上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；极板1上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。三电极压电元件：T型LC三端元件，构成振荡电路。2020/3/16521、“基于压电器件的冰传感器”，《仪表技术与传感器》，2001年9期参考文献：2、“压电式振动给料器的研制”，《传感器技术》，2001年4期3、传感器(第二版),张锡富主编,机械工业出版社2020/3/1653一、名词解释1）正压电效应2）逆压电效应二、填空题1.压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的___________效应，是一种_______________传感器。2.常用的压电材料有__________、_________和__________，它们各自有着自己的特点；3.石英晶体有三轴，它们是__________、____________、___________；对压电晶片沿x轴、y轴施加压力时，电荷只出现在__________