第6章压电式传感器课件.ppt

1,第6章 压电式传感器,压电式传感器是一种以压电材料的压电效应为基础能够将非电量转换成电量的传感器。因为压电效应可输出电荷，压电式传感器也称有源传感器或发电式传感器，又因为压电效应具有正压电、逆压电两种效应，也称双向传感器。压电传感器尺寸小，质量轻，工作频率宽，可测量变化很快的动态压力、加速度和振动等。,2,压电式传感器的工作原理 压电式传感器的等效电路和测量电路 压电式传感器的应用:了解压电式测力传感器、压电式加速度传感器 要求 掌握压电式传感器的工作原理，能够分析测量电路原理，熟悉压电式传感器应用的原理分析,压电效应、 压电材料 压电式传感器,等效电路、 测量电路,本章主要内容：,3,6.1 压电效应及工作原理,某些离子型晶体的电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，就会引起内部正负电荷中心相对转移，产生极化现象，在它的两个表面上出现符号相反的束缚电荷。当外力去掉后，极化现象消失，又重新恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 通常把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。,1. 压电效应：,4,当在电介质极化方向施加电场，会引起电介质内部电荷中心转移，而导致电介质在一定方向上产生机械变形。当外电场消失后，这些变形也随之消失。这种现象称为“逆压电效应”（或称电致伸缩效应）。,2.逆压电效应：,5,因此，压电材料能实现机电能量的相互转换，不需要外界辅助电源，是一种典型的有源传感器。,图6-1 压电效应可逆性,正压电效应,逆压电效应,6,3、压电材料,具有压电效应的材料就称为压电材料。,在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱不能应用。,常见的性能优良的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。 压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)；多晶体压电陶瓷（人造陶瓷）有钛酸钡（BaTiO3)压电陶瓷、锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3)系压电陶瓷等。,下面以石英晶体和压电陶瓷为例说明压电效应。,7,如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。,6.1.1 石英晶体的压电效应,8,天然形成的石英晶体外形,9,石英晶体各个方向的特性是不同。 为了表示晶体方向性，晶体学中常用笛卡尔坐标系，即用三根相互垂直的轴来表示。 其中纵轴z轴，通过正六面体棱线，也称为光轴， x轴，为经过六面体棱线并垂直于光轴的方向。因为沿x轴的力作用下压电效应最强最明显，所以x轴也称为电轴， y轴，与x-x和z-z轴同时垂直的轴。因为电场作用下，沿此轴方向机械变形最明显，故也称为机械轴。,10,通常把沿电轴XX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YY方向的力 用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。,图6-2 石英晶体 (b) 切割方向； (c) 晶片,11,图6-3是一个单元组体组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在xy平面投影， 如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中 正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,石英晶体产生压电效应的微观机理,硅氧离子的排列示意图 (a)硅氧离子在x-y平米昂上的投影 (b)等效为正六边形排列的投影,石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。,12,下面讨论石英晶体在外力作用时晶格的变化情况。 （1）当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 。此时 正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量 和等于零，即如图6-3（a）所示。,图6-3 石英晶体晶格分布 (a),13,（2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力时，晶体沿x轴方向收缩变形，正负离子相对位置随之发生变化，如图6-3（b）所示，此时正负离子中心不重合，P1减小，P2，P3增加，电偶极矩在三个方向的分量为:,在x轴正方向出现正电荷，y、z方向不出现电荷,图6-3 石英晶体晶格分布(b),14,（3）当石英晶体受到沿x轴方向的拉力时，晶体沿x轴方向拉伸变形，正负离子相对位置也随之发生变化，如图6-3（C）所示，此时正负离子中心也不重合，P1增大，P2、P3减小，电偶极矩在三个方向的分量为,在x轴正方向出现负电荷，yz方向不出现电荷,由此可见，当晶体受到x轴方向的作用力时，它都在X轴方向产生正压电效应，在y、Z轴不产生压电效应。,图6-3 石英晶体晶格分布,15,（4）当石英晶体沿y轴方向受到F y作用的情况与F x作用相似。当Fy为压力时与Fx为拉力相似， 当Fy为拉力时则与Fx为压力相似。,当Fy为压力时， 在x轴正方向出现正电荷，其他方向不出现电荷； 当Fy为拉力时，在x轴正方向出现负电荷，其他方向不出现电荷；,由此可见，当晶体受到Y轴方向的作用力时，仍然在X轴方向产生正压电效应，在y、Z轴不产生压电效应。,因此：,Fy为压力时与Fx为拉力相似,Fy为拉力时则与Fx为压力相似,16,（5）当石英晶体沿Z轴方向受到作用力时，因为晶体沿x方向和y方向的形变完全相同，正负电荷中心仍保持重合，所以不会产生压电效应。,因此，石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的，外力作用，使得内部晶格分布发生变化，正负离子电偶极矩发生变化，产生极化现象，出现电荷。,17,为分析不同方向施加作用力时的压电效应，从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，晶片厚度为b，高度为c，长度为a。如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。,石英晶体压电效应工作原理,图6-2 石英晶体 (b) 切割方向； (c) 晶片,18,当沿电轴x方向施加作用力Fx时，晶片厚度b产生变形并发生极化现象，在与电轴x垂直的平面上产生电荷。,式中,Pxx为沿x轴的极化强度， 数值上等于与x轴垂直的晶面上的电荷密度，即； xx为与x轴垂直平面受到的应力，即； d11为x方向受力的压电系数。,根据晶体极化理论，在晶体形变线性范围内，极化强度Pxx与应力xx成正比，即：,qxx为与x轴垂直的晶面上的电荷,19,极间电压Ux,式中：b为晶片厚度；Ex为沿x轴方向的电场强度，它等于外力Fx 作用下垂直于x轴两晶面产生的电荷qxx在晶面间的电场强度。,由晶体学知：晶体应变大小与电场强度成正比，也就是：,根据逆压电效应，此时晶体在X轴方向将产生伸缩，即发生应变。,Cx为两电极面间的电容,20,在X轴方向施加压力时，石英晶体的X轴正向带 正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面 上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。,21,（2）若沿机械轴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q xy，电荷极性见图。此时有：,式中，P xy为沿x轴的极化强度 ； yy为垂直于y轴的平面应力；d12为y方向受力的压电系数。,22,此时x轴两晶面电极之间将存在电场Ex，根据逆压电效应，晶片在y轴将发生压缩变形，即。,根据石英晶体轴对称条件：d11=d12，则上式为,则其极间电压为,23,以上的分析可见： （1）正压电效应时，其石英晶体产生的电荷与作用力成正比关系。,（3）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向一定存在逆压电效应。,石英晶体压电效应小结,（2）逆压电效应时，其石英晶体产生的应变与电场强度成正比关系。,（4）石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。,24,6.1.2 压电陶瓷的压电效应,1.压电陶瓷的自然状态,压电陶瓷是以钛酸钡或锆钛酸铅等为基本材料，经粉碎和高温烧结得到的一种人造多晶体。 原始压电陶瓷没有压电性，但在内部有自发电畴（电畴是分子自发形成的区域），这些电畴具有一定极性，从而存在一定电场，在没有外电场作用时，各电畴在晶体中杂乱分布，它们的极性被相互抵消，因此原始压电陶瓷内极化强度为零，呈中性，不具有压电性质 。,图6-4 原始状态的压电陶瓷,电偶极矩微小区域,2. 压电陶瓷的极化状态 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。外电场去掉后，材料内部仍有很强的剩余极化强度，同时在压电陶瓷片的一端内部出现正极性的束缚电荷，另一端出现负极性的束缚电荷。这些内部的束缚电荷，能很快吸附来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用，如下图所示。,束缚电荷,图6-5 压电陶瓷的极化处理,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。,26,1）压电陶瓷的正压电效应 如果在极化处理后的压电陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压力，压电片产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。 当外力撤消后，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，内部束缚电荷增加，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象 这种因受力而产生的机械效应转换成电效应，也就是将机械能转换为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。实验表明放电电荷与外力成正比，也即是：,27,2）压电陶瓷的逆压电效应 在压电陶瓷片上施加一个与极化方向相同的电场E。 由于电场方向与极化方向相同，所以电场的作用将使得极化强度增大，从而使极化分子间距增加，导致陶瓷片沿极化方向产生伸长变形。同理，若改变电场方向同极化方向相反，则陶瓷片将沿极化方向产生压缩变形。 这种由电效应转变为机械效应，或者说由电能转变为机械能的现象就是压电陶瓷的逆压电效应。实验表明变形与电场之间的关系为：,图6-7 逆压电效应示意图,28,以上的分析可见： （1）压电陶瓷具有压电效应，是由于其内部存在着自发极化电畴，经极化工序处理后被迫取向排列，使内部存在剩余极化强度，在外电场（或外力）的作用下，能使极化强度变化，导致陶瓷片出现压电效应。,（2）压电陶瓷的极化电荷是束缚电荷，它们不能自由移动，压电陶瓷产生的放电或充电现象，是通过陶瓷片内部极化强度的变化引起束缚电荷变化，引起电极面上的自由电荷释放或补充的结果。,小结,29,压电陶瓷和石英晶体比较： 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。温度稳定性和机械强度都不如石英。,比较,30,压电式传感器就是利用压电材料的压电效应进行工作的。 1、压电式传感器不能用于静态测量，而适用于动态测量。 由于外力作用而在压电材料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。压电材料在交变力的作用下，电荷才可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。,6.1.3 压电式传感器,31,单片压电元件产生的电荷量很小，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。,图6-5 压电元件连接方式 (a) 并联连接； (b) 串联连接,2、压电元件的连接,32,(1)并联使用：,输出电容为：,输出电压为：,输出电荷为：,输出电荷大，电荷灵敏度提高； 本身电容大， 时间常数大，适宜用在测量慢变信号的场合。,33,(2)串联使用：,输出电容为：,输出电压为：,输出电荷为：,输出电压大，电压灵敏度提高，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。 ,34,压电式传感器在测量低压力时线性度不好，因此，需要加入预加力，称为预载，以消除低压力使用中的非线性外。,3、压电元件的预载,35,6.2 压电式传感器测量电路,当压电元件受力时，在两个相应极面上出现等值的正负电荷，因此，可将压电元件看作是一个电荷源与压电晶体等效电容相并联的电路。,6.2.1 压电式传感器的等效电路,36,由于两个极板面上分别聚集了不同极性的正负电荷，板间就会呈现出一定的电压，两个极板间的电压为：,因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca 的串联电路，如图(b)。,37,压电元件在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，如下图6-9所示。因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻R i , 输入电容C i以及压电元件的泄漏电阻Ra。,图6-9 压电传感器实际连接电路,3、实际等效电路,连接电缆,38,图6-10 压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源; （b） 电荷源,这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路， 如图6 -10所示。,连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻R i , 输入电容C i以及压电元件的泄漏电阻Ra,39,可见，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，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。,40,由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）,前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。,6.2.2 压电式传感器的测量电路,前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。,41,1. 电压放大器 图6-11（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。,图 6-11 电压放大器电路原理及其等效电路图 （a） 电压放大器电路; （b） 等效电路,（a）,（b）,A,U0,Ci,Ri,C,e,Ra,Ua,Ca,Ui,42,式中： Um压电元件输出电压幅值，Um= dFm/Ca； Fm作用力的幅值；d压电系数；作用动态力的变化频率。,图中，等效电阻,若压电元件受正弦力f=Fm sint的作用，则压电元件上产生的电荷为：,等效电容C= Cc+Ci,压电元件上产生的电压为：,图6-11(b),43,设Z为R和C并联后的阻抗，则,Ca,(1),(2),44,输入电压Ui和作用力f之间相位差为,45,在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci) R1，那么，输入电压幅值Uim为,上式表明理想情况时前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在/03时，就可以认为Uim与无关，0表示测量电路时间常数之倒数，即,这表明在测量回路的时间常数一定的情况下，压电传感器有很好的高频响应，也就是测量电路输出与被测信号频率无关。,46,当作用于压电元件的力为静态力（=0）时， 前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用于静态力的测量。,47,当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得,因为R1，故上式可以近似为,可见，Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下降。为此常将Ri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。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。,48,因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换， 否则将引入测量误差。,49,例：一只压电式加速度计，供它专用的电缆长度为1.2m，电缆电容为100pF，压电片本身电容为1000pF。出厂时标定的电压灵敏度为100v/g(g为重力加速度），若使用中改用另一根长为2.9m的电缆，其电容量为300pF，问电压灵敏度会不会改变，如何改变？,Ua,将压电式加速度计等效为电压源，不考虑其泄露电阻，其等效电路如图所示。输出电压为：,电缆电容改变为Cc时，输出电压变为：,压电式加速度计的电压灵敏度与输出电压成正比，所以更换电缆后，灵敏度变为：,50,电荷放大器由一个反馈电容C f和高增益运算放大器构成。,2. 电荷放大器,若放大器的开环增益A0足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈电容CF。由图可知i的表达式为：,51,根据该式画出等效电路图(b),反馈电容CF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1A0)倍。所以图中C=(1 A0)CF；这就是所谓“密勒效应”的结果。,52,运放输入电压,运算放大器输出端电压为：,通常A=104108 ,（A+1)Cf ( Ca+Cc+Ci)，则上式可近似为：,53,说明电荷放大器输出电压只与电荷q、反馈电容Cf有关，与放大倍数及电缆电容无关,当A0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，这是电荷放大器的最大特点。,反馈电容Cf为常数时，输出电压与电荷q成正比。 反馈电容增大，输出电压将减小，所以应选择合适的反馈电容Cf值。CF一般取值100-104pF。,54,6.3 压电式传感器的应用,6.3.1 压电式测力传感器 图6-11是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。,图6-11 压力式单向测力传感器结构图,传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为8×1mm。该传感器的测力范围为050N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。,55,6.3.2 压电式加速度传感器 图6-12是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,图6-12 压电式加速度传感器结构图,56,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； a加速度。 此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为,q=d11F=d11ma,与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,57,6.3.3 压电式金属加工切削力测量 图6-13是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 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。图中压电传感器位于车刀前部的下方，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。,图6-13 压电式刀具切削力测量示意图,58,6.3.4 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。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为1520 k。,59,图6-14 BS-D2压电式玻璃破碎传感器 （a） 外形; （b） 内部电路,60,报警器的电路框图如图6-15所示。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。 玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。,61,图6-15 压电式玻璃破碎报警器电路框图,