单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传感器与检测技术,压电式传感器,传感器与检测技术 压电式传感器,概述,压电传感器是一种典型的有源（,发电型）,传感器。,特点：,结构简单、体积小、重量轻；,工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；,工作可靠；测量范围广等。,用途：,主要用于与力相关的,动态参数测试,，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。,压电加速度传感器,动态压力传感器,概述 压电传感器是一种典型的有源（发电型）传感器。压电加速度,6.1.1,压电效应,6.1,压电传感器工作原理,正压电效应,：是对某些电介质沿一定方向,施以外力,使其,变形,时，其内部将产生,极化现象,而使其表面出现,电荷集聚,的现象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，使机械能转变为电能。,当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。,（,a,）未极化,（,b,）电极化,6.1.1 压电效应6.1 压电传感器工作原理,6.1,压电传感器工作原理,图,6-1,压电效应原理示意图,逆压电效应：,当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,6.1 压电传感器工作原理图6-1压电效应原理示意图,6.1,压电传感器工作原理,6.1.2,常用的压电材料,（,1,）石英晶体,石英晶体属于单晶体，化学式为,SiO2,外形结构呈六面体,沿各方向特征不同。,沿,X,方向,(,电轴,),的力作用产生电荷的压电效应称”纵向压电效应”；,沿,Y,方向的,(,机械轴,),的力作用产生电荷的压电效应称”横向压电效应”；,沿,Z,方向的,(,光轴,),的力作用时不产生压电效应。,Z,X,Y,6.1 压电传感器工作原理6.1.2 常用的压电材料（1）石,6.1,压电传感器工作原理,石英晶体有硅离子,Si,4+,，和氧离子,O,2-,组成，在每一个晶体单元，硅离子和氧离子在,xy,平面上的投影等效为一个正六边形。,6.1 压电传感器工作原理 石英晶体有硅离子Si4+，,6.1,压电传感器工作原理,6.1 压电传感器工作原理,6.1,压电传感器工作原理,d,11,为,X,方向压电系数，,d,12,为,Y,方向压电系数,6.1 压电传感器工作原理d11为X方向压电系数，d12为Y,6.1,压电传感器工作原理,6.1 压电传感器工作原理,6.1,压电传感器工作原理,（,2,）压电陶瓷（多晶体）,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。,具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域,称为,电畴,.,两个畴之间的界面称为,畴壁,。,在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。,6.1 压电传感器工作原理（2）压电陶瓷（多晶体）压电陶,6.1,压电传感器工作原理,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。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。,6.1 压电传感器工作原理 在陶瓷上施加外电场时,6.1,压电传感器工作原理,极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：,式中：,d,33,压电陶瓷的压电系数；,F,作用力。,6.1 压电传感器工作原理 极化处理后陶瓷材料,6.1,压电传感器工作原理,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。,最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（,BaTiO,3,）。它的压电系数约为石英的,50,倍，但,居里点,温度只有,115,，使用温度不超过,70,，温度稳定性和机械强度都不如石英。,目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（,PZT,）系列，它是钛酸铅（,PbTiO2,）和锆酸铅（,PbZrO3,）组成的（,Pb,（,ZrTi,）,O3,）。居里点在,300,以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数,6.1 压电传感器工作原理 压电陶瓷的压电系数,6.1,压电传感器工作原理,（,3,）压电高分子材料,高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。,目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高分子材料是聚偏氟乙烯，其压电效应可采用类似铁电体的机理来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别排列在薄膜的对应上下两边上，形成微晶偶极矩结构，经过一定时间的外电场和温度联合作用后，晶体内部的偶极矩进一步旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳氟偶极矩固定结构。正是由于这种固定取向后的极化和外力作用时的剩余极化的变化，引起了压电效应。,6.1 压电传感器工作原理（3）压电高分子材料,6.1,压电传感器工作原理,（,4,）压电材料的特性参数,压电系数：,衡量材料压电效应强弱的参数，影响压电输出的灵敏度,弹性系数：,决定压电器件的固有频率和动态特性,介电常数：,影响压电元件的固有电容，随之影响压电传感器的频率下限,机电耦合系数,：衡量压电材料在压电效应中的能量转换效率,电阻：,压电材料的绝缘电阻将减少漏电荷，从而改善压电传感器的低频特性,居里点：,当温度升高到一定程度后，材料的压电特性将消失。,6.1 压电传感器工作原理（4）压电材料的特性参数压电系数：,6.1,压电传感器工作原理,选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑：,转换性能,：具有较高的压电系数,机械性能,：机械强度高，刚度大，以获得宽的线性范围和高,的固有频率,电性能,：高的电阻率和大的介电常数，以减弱外部分布电容,的影响并获得好的低频特性,温度、湿度稳定性好,:,具备较高的居里点，以获得宽的工作温,度范围,时间稳定性,:,压电特性不随时间退化。,（,5,）压电材料的选取,6.1 压电传感器工作原理,6.2,压电传感器测量电路,6.2.1,等效电路,当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器。,q,q,电极,C,a,(,b,),(,a,),压电晶体,6.2 压电传感器测量电路6.2.1 等效电路 当压,6.2,压电传感器测量电路,因此，压电传感器可等效为电压源,U,a,和一个电容器,C,a,的串联电路，如图,(,a,),；也可等效为一个电荷源,q,和一个电容器,C,a,的并联电路，如图,(,b,),。,只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。,6.2 压电传感器测量电路 因此，压电传感,6.2,压电传感器测量电路,传感器接测量电路时，还要考虑电缆等效电容,C,C,，,放大器输入电阻,R,i,，输入电容,C,i,传感器泄露电阻,Ra,的影响。,6.2 压电传感器测量电路 传感器接测量电路时，,6.2,压电传感器测量电路,由等效电路可见，只有在负载,无穷大，内部无漏电时，受力,产生的电压,U,才能长期保存,如果负载,，电路要以,时间放电。,因此，当测量变化频率较低时，必须保证,很大，才能,足够大。,使,由于压电传感器本身内阻很高,而输出阻抗的能量又非常弱,因此使用压电传感器时他的负载电阻应有很大数值,这样才能减小测量误差,.,因此,通常将传感器信号输入到高阻抗的前置放大器,然后接入测量电路,6.2 压电传感器测量电路由等效电路可见，只有在负载无穷大，,6.2,压电传感器测量电路,6.2.2,测量电路,电压放大器,:,其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；输出电压灵敏度受分布电容的影响；频限窄；但线路简单，成本低，性能稳定。,压电式传感器的前置放大器有两个作用：,把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；,放大压电式传感器输出的弱信号。,前置放大器形式：,电荷放大器：,把压电元件高内阻的电荷源变为传感器低内阻的电压源，使其输出电压与输入电荷成正比；灵敏度不受分布电容的影响，频限宽；但线路复杂，成本高，调整难。,6.2 压电传感器测量电路6.2.2 测量电路,6.2,压电传感器测量电路,6.2.3,压电元件的连接,单片压电晶片难以产生足够的表面电荷，在压电式传感器中常采用两片或两片以上压电晶片组合在一起使用。由于压电晶体是有极性的，因而两片压电晶体构成的传感器有,两种接法,：,串联,和,并联,。,Q,=,Q,，,U,=2,U,，,C,=,C,/2,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，且测量电路输入阻抗很高的地方。,1,、串联形式,6.2 压电传感器测量电路6.2.3 压电元件的连接,6.2,压电传感器测量电路,2,、并联形式,Q,=2,Q,，,U,=,U,，,C,=2,C,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地方。,6.2 压电传感器测量电路2、并联形式Q=2Q，U=U，,6.2,压电传感器测量电路,6.2.3,压电元件的变形,6.2 压电传感器测量电路6.2.3 压电元件的变形,6.3,压电传感器的应用,压电晶体振荡器：加高变电压（电,机）,振动,晶体变形（机,电）,产生电荷,输出,压电加速度计传感器。,压电式玻璃破碎报警器。,血压测量。,压电换能器，声音发射（扬声器）、接收（麦克风）、超声波换能器,。,等等,6.3 压电传感器的应用,1,、压电压力传感器,6.3,压电传感器的应用,1、压电压力传感器6.3 压电传感器的应用,6.3,压电传感器的应用,2,、压电加速度传感器,6.3 压电传感器的应用2、压电加速度传感器,6.3,压电传感器的应用,3,、压电式玻璃破碎传感器,6.3 压电传感器的应用 3、压电式玻璃破碎传感器,6.3,压电传感器的应用,6.3 压电传感器的应用,6.3,压电传感器的应用,6.3 压电传感器的应用,6.3,压电传感器的应用,6.3 压电传感器的应用,6.3,压电传感器的应用,6.3 压电传感器的应用,6.3,压电传感器的应用,6.3 压电传感器的应用,6.3,压电传感器的应用,6.3 压电传感器的应用,一、单项选择题,1,、,对石英晶体，下列说法正确的是（,）。,A.,沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。,B.,沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。,C.,沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。,D.,沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。,2,、,石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（,）,A.,压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好,B.,压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好,C.,石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好,D.,石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如