9加速度传感器

第6章压电传感器加速度传感器压电式加速度传感器微机械加速度传感器第6章压电传感器压电式加速度传感器晶体的压电效应晶体压电效应当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时,在其表面上会产生电荷(束缚电荷),这种效应称为压电效应。晶体的这一性质称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的,即晶体在外电场的作用下要发生形变,这种效应称为逆压电效应。第6章压电传感器图6.1晶体的压电效应晶体的压电效应可用下图加以说明。一些晶体当不受外力作用时,晶体的正负电荷中心相重合,单位体积中的电矩(即极化强度)等于零,晶体对外不呈现极性,而在外力作用下晶体形变时,正负电荷的中心发生分离,这时单位体积的电矩不再等于零,晶体表现出极性。第6章压电传感器压电方程晶体的压电效应是一种机电耦合效应。它是由力学量应力T和应变S与电学量电场强度E和电位移D之间互相耦合产生的。对于具有压电效应的晶体,不仅电学量E和D以及力学量T和S存在着直接的关系,同时还存在力学量和电学量之间的耦合效应。压电方程就是描写力学量间、电学量间以及力学量和电学量相互之间互相联系的关系式。在电场强度、电位移和应力、应变这四组变量中,可以任选一组力学量和一组电学量作自变量,这就有四种情况,有四组压电方程。第6章压电传感器(1)选取应变分量Sk和电位移分量Dj为独立变量,得到h型压电方程式中,cDhk是电位移不变(恒电位移)时的弹性常数或开路弹性常数;βSij是应变不变(恒应变)时的介质隔离率(也称倒介电常数)或受夹介质隔离率;hjh、hik称为压电刚度常数,简称压电常数。(2)选取电场强度分量Ej和应力分量Tk为独立变量,得到d型压电方程,1,2,3,1,2,,6EhhkkjhjTiikkijjSsTdEijDdTEhk2,1,2,3,1,2,3,,6DAhkkjhjiikkijjTcShDijEhSDhkS第6章压电传感器(3)选取应力分量Tk与电位移Dj为独立变量,得到g型压电方程,1,2,3,1,2,,6DhhkkjhjTiikkijjSsTgEijEgTDhk式中,sDhk是恒电位移下的柔性常数,或称开路柔性常数;βTij是恒应力下介电隔离率,也称自由介电隔离率;gjh、gik称为压电电压常数,简称压电常数。(4)选取应变分量Sk与电场强度分量Ej为独立变量,得到e型压电方程,1,2,3,1,2,,6EhhkkjhjSiikkijjTcSeEijDeSeEhk式中,cEhk是恒电场下的弹性常数,或称短路弹性常数;εSij是应变不变时的介电常数或称受夹介电常数;ejh、eik称为压电应力常数,简称压电常数。第6章压电传感器压电方程中,弹性常数、柔性常数各有36个,压电常数有18个,介电常数、介电隔离率各有9个。由于晶体的对称性,独立的常数将有不同程度的减少。例如常用的压电材料,石英晶体和压电陶瓷的压电方程如下:石英晶体属32点群(三角晶系),由其常数矩阵可写出其d型压电方程,即第6章压电传感器11111221331441112121112133144111313113233341411424441415445146142614511126112111111214422()2EEEEEEEEEEEEEEEEEEEESsTsTsTsTdESsTsTsTsTdESsTsTsTSsTsTsTsESsTsTdESsTssTdEDdTdTdT111214511611233332TTTEDdTdTEDE(纵向振动)(横向振动)(轮廓切变)(轮廓切变)(厚度切变)第6章压电传感器111112213314431321211121333133131132333333444415254451516111261155111215411233113123333332()EEEEEEEEEEEEEETTTSsTsTsTsTdESsTsTsTdESsTsTsTdESsTdESsTdESssTDdTEDdTEDdTdTdTE压电陶瓷的常数矩阵同六角晶系6mm点群。其d型压电方程如下:(横向振动)(横向振动)(纵向振动)(厚度切变)(厚度切变)第6章压电传感器压电材料石英晶体是最早应用的压电材料,至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。现今压电传感器的材料大多用压电陶瓷。压电陶瓷的压电机理与单晶不同,是利用多晶压电陶瓷的电致伸缩效应。极化后的压电陶瓷可以当作压电晶体来处理。当前常用的压电陶瓷是锆钛酸铅(PZT)。另外,铌酸锂和钽酸锂大量用作声表面波(SAW)器件。此外,氧化锌和氮化铝等压电薄膜已是当今微波器件的关键材料。压电单晶和压电陶瓷都是脆性材料。而以聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表的压电高聚物薄膜,压电性强,柔性好,特别是声阻抗与水和生物组织接近,是制作传感器的良好材料。用压电陶瓷和高聚物复合而成的压电复合材料也已在压电传感器领域中得到应用。第6章压电传感器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第6章压电传感器压电加速度传感器压电加速度传感器的工作原理由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输出电荷(电压)与惯性力成正比。电信号经前置放大器放大,即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小,从而得知物体的加速度。压电加速度传感器原理图质量块压电元件支座输出引线第6章压电传感器a=g(重力加速度)时得到的电荷Q值,常称为灵敏度,单位记为C/g,即灵敏度为一个g产生的电荷。上式为灵敏度的电荷表示法。灵敏度亦可用开路输出电压表示,因为dQUC压电传感器的灵敏度M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加速度，l为晶片厚度,A为晶片电极面面积设晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向)，作用力沿着z方向可推导出压电陶瓷片产生的电荷为Q=d33Ma第6章压电传感器式中,Cd为晶片的低频电容(自由电容)33TdACl所以3333TdlMaUA取a=g,即为灵敏度的电压表示法,即一个g时产生的开路电压,单位记为V/g。第6章压电传感器固有共振频率由灵敏度的公式：在低频时灵敏度是一常数,它和压电常数成正比,和质量块的质量成正比。在较高的频率下该公式不适用,特别是到传感器的固有共振频率附近,灵敏度急剧增大,该公式一般在传感器固有共振频率的1/2~1/5以下使用。可以近似地把质量块看成一个纯质量(忽略其弹性),晶片看成一纯弹性元件(忽略其质量)来计算传感器的固有频率。如将晶片看成一弹簧,则由定义可求出其劲度系数为33AEAkSll式中,E为压电晶片的杨氏模量。则固有频率12nkfM第6章压电传感器压电晶片的连接方式（1）并联：UUqqCC,2,2（2）串联：UUqqCC2,,21压电晶片的连接与电容的串并联相似第6章压电传感器6.2.2压电加速度传感器的结构图a为常用的压缩式压电加速度传感器。这是目前最常见的一种。结构简单,装配较为方便。为便于装配和增大电容量常用两片晶片电学上并联输出。采用石英晶片时也有采用四片晶片并联的方式。图6.4压电加速度传感器的几种结构第6章压电传感器图b是剪切式压电加速度传感器,采用剪切应力实现压电转换。管式压电元件(极化方向平行于轴线,电极面在内外圆柱面上)紧套在金属圆柱上,在压电元件外径上再套上惯性质量块,相互之间用导电胶粘结。如传感器感受向上的运动,金属圆柱随之向上运动,由于惯性质量环保持滞后,这样压电元件就受剪切应力作用,从而在压电元件的内外表面上产生电荷;如果传感器感受向下的运动,则压电元件内外表面上的电荷极性相反。剪切式压电传感器容易小型化,有很高的固有频率,所以频响范围宽,适于测量高频振动。但是,由于压电元件、金属圆柱以及惯性质量环之间粘结较难,装配成功率较低。第6章压电传感器图c为弯曲式压电加速度传感器。压电晶片粘贴在悬臂梁的侧面,悬臂梁的自由端装配质量块,固定端与基座连接。振动时,悬臂梁弯曲,上、下表面受到拉伸或压缩,使压电元件发生形变,从而输出电信号。弯曲式压电加速度传感器固有共振频率低,灵敏度高,适用于低频测量。缺点是体积大,机械强度较前两种差、横向效应大。第6章压电传感器表6.1加速度传感器的一般性能采用不同的结构设计和选用不同性能的压电材料,可以得到满足各种使用要求的压电加速度传感器。表6.1给出了三种基本结构的加速度传感器的一般性能。第6章压电传感器计算举例:一96%钛酸钡,4%钛酸铅的混合压电陶瓷作压电元件的加速度计,结构如图6.4(a)所示。参数如下:341123933113324.54.5100.55101.1310/1.11.1107.9510/9.3210/9.80/TDmmmlmmmENmMgkgFmdCNgms第6章压电传感器经计算得固有频率为20400042nDEfHzml静电容量23333323350024410/TaagTDCFldMglUVgD电压灵敏度第6章压电传感器下表列出了一种市售压电加速度传感器的主要技术指标,供参考。这种压电加速度传感器采用剪切设计,内装集成电路,是一种低阻抗电压输出加速度传感器。图6.5是这种压电加速度传感器的外形图。第6章压电传感器图6.5一种压电加速度传感器的外形第6章压电传感器压电测量电路的等效电路Ra——包含压电片的泄漏、传感器的泄漏等综合反映出的绝缘电阻；Cc——引线电缆的分布电容；Ri——放大器的输入电阻；Ci——放大器的输入电容。第6章压电传感器由于压电传感器的内阻抗很高、输出电信号很弱,一般需将电信号经高输入阻抗的前置放大器放大再进行传输、处理和测量。前置放大器的主要作用是将压电传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出,也起放大弱信号的作用。前置放大器应距传感器尽量近,常将其与传感器装配在一起,或集成在一起。否则,传感器的输出信号需由低噪声电缆输入到高输入阻抗的前置放大器。前置放大器也有两种形式:一种是电压放大器,一般称作阻抗变换器,其输出电压与输入电压成比例。使用电压放大器时,测量系统的输出对电缆电容的变化很敏感,连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出。另一种是电荷放大器,其输出电压与输入电荷成比例。使用电荷放大器时,电缆长度变化的影响可以忽略不计,允许使用很长的电缆,但它与电压放大器比较,价格要高得多,电路也比较复杂,调整又比较困难。第6章压电传感器四.压电传感器的测量电路:电压传感器本身特点：输出信号微弱、本身输出阻抗很高。为此，压电式传感器的前置放大器就有两个作用:(1)把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出，以便带载。(2)放大压电式传感器输出的微弱信号。第6章压电传感器(1)高阻电压放大器iciaccCRRR//设在压电陶瓷片的Z方向作用力为F＝Fmsint，则在垂直于Z轴的面上产生的电压为由于R和C的影响，实际送入放大器的电压可计算得幅值与F的相位差第6章压电传感器假设，在理想情况下，传感器的绝缘电阻Ra和前置放大器的输入电阻Ri，都为无穷大，即等效电阻R∑为无限大，电荷没有泄漏，则前置放大器的理想输入电压的幅值Uam为：而放大