傳感器技術(shù)與應(yīng)用第五章課件

1、2022/7/231第5章 壓電式傳感器2022/7/232引言壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點(diǎn)，因此在各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。2022/7/233主要章節(jié)5.1 壓電式傳感器的原理及材料 5.2 壓電式傳感器測量電路 5.3 壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)及誤差5.3 壓電式傳感器的應(yīng)用 2022/7/2345.1 壓電式傳感器的原理及材料 1壓電效應(yīng)的概念 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定

2、方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。 5.1.1 壓電效應(yīng)2022/7/235壓電效應(yīng)可逆性 2022/7/2362.壓電效應(yīng)原理 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等 石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個(gè)晶軸：x軸、y軸和z軸。z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：x軸又稱電軸，它通過

3、六面體相對的兩個(gè)棱線并垂直于光軸：y軸又稱為機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對的晶柱棱面。2022/7/237 石英晶體及切片 2022/7/238石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機(jī)理可說明。石英晶體的化學(xué)式為SiO2，它的每個(gè)晶胞中有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列（氧離子是成隊(duì)出現(xiàn)的）。沿光軸看去，可以等效地認(rèn)為正六邊形排列結(jié)構(gòu)。2022/7/239 石英晶體的壓電效應(yīng)機(jī)理 2022/7/2310分析說明（1）在無外力作用時(shí) （2）當(dāng)晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形 （3）同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（y軸）方向受到壓力時(shí)，也會產(chǎn)生晶格變形 （4）當(dāng)晶體

4、的光軸（z軸）方向受到受力時(shí)，由于晶格的變形不會引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2022/7/2311結(jié)論沿機(jī)械軸方向的力作用在晶體上時(shí)，產(chǎn)生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，式中的負(fù)號說明沿機(jī)械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。 2022/7/23125.1.2 壓電材料 石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有3類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。2022/7/2313石英晶體天然形成的石英晶體外形2022/7/2314天然形成的石英晶體外形（續(xù)） 2022/7/2315石英晶體切

5、片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2022/7/2316石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振2022/7/2317壓電陶瓷外形 2022/7/2318高分子壓電薄膜及拉制 2022/7/2319高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜 2022/7/2320可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板 2022/7/2321壓電式腳踏報(bào)警器 2022/7/23225.1.2 壓電材料 （5）時(shí)間穩(wěn)定性。（2）機(jī)械性能。（3）電性能。（4）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)（1）轉(zhuǎn)換性能。1壓電材料的要點(diǎn)2022/7/23235.2 測量電路將壓電晶片

6、產(chǎn)生電荷的兩個(gè)晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。5.2.2 等效電路當(dāng)壓電元件受力時(shí)，就會在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷源；兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為5.2.1 壓電晶片的連接2022/7/2324壓電元件的等效電路 壓電元件等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源，2022/7/23255.2.3基本測量電路壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個(gè)：一

7、是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；二是把傳感器的微弱信號進(jìn)行放大。2022/7/23261.電壓放大器壓電傳感器的高頻響應(yīng)較好，通常用于高頻交變力的測量。電壓靈敏度為2022/7/23272.電荷放大器 并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器電路 電荷放大器原理圖 2022/7/2328結(jié)論電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計(jì)。 2022/7/2329輸出信號根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩

8、種形式。由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。2022/7/23305.3 壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)及誤差壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)包括靈敏度、頻率特性、精度和絕緣電阻等；而這里介紹的誤差是壓電式傳感器環(huán)境因素的誤差，主要是由環(huán)境溫度、濕度以及接線等引起的誤差。2022/7/23315.3.1 壓電式傳感器的基本性能指標(biāo) 1.靈敏度2.頻率特性3.精度4.絕緣電阻2022/7/23325.3.2 壓電式傳感器的誤差 1.環(huán)境溫度的影響2.環(huán)境濕度的影響3.電纜噪聲4.接地回路噪聲2022/7/23335.3 壓電式傳感器的應(yīng)用5.4.1 壓電式加速度傳感器1.壓

9、電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)類型及原理2022/7/23345.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖2022/7/23355.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖2022/7/2336壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖2022/7/23375.4.2 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器主要由本體、彈性敏感元件和壓電元件組成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示2022/7/23385.4.3 集成壓電傳感器隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，集成的壓電傳感器已在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。集成的壓電傳感器是把壓電傳感器和前置放大器集成在一起。集成的壓電傳感器有三種。一種是內(nèi)裝式微型電荷或電壓放大器的集成壓電傳感器，一種是恒流源供電的集成壓電傳感器；還有一種是恒壓源供電的集成壓電傳感器。2022/7/23395.4.3 集成壓電傳感器集成的壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：（1）集成了前置放大器，及相關(guān)電路，簡化了測量系統(tǒng)，降低了成本；（2