傳感器與檢測技術(shù) 第六章 壓電傳感器

1、傳感器與檢測技術(shù) 第六章 壓電傳感器第1頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日第六章 壓電式傳感器第一節(jié) 壓電效應(yīng)第二節(jié) 石英晶體的壓電效應(yīng)第三節(jié) 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第四節(jié) 壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式第五節(jié) 等效電路與測量電路第六節(jié) 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例第七節(jié) 壓電式傳感器的誤差第2頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日第一節(jié) 壓電傳感器的工作原理 當(dāng)某些物質(zhì)沿某一方向施加壓力或拉力時，會產(chǎn)生變形，此時這種材料的兩個表面將產(chǎn)生符號相反的電荷。當(dāng)去掉外力后，它又重新回到不帶電狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。 反之，在

2、某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場后，該物質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。也稱為“電致伸縮效應(yīng) ”一、壓電效應(yīng)第3頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日壓電常數(shù)和表面電荷密度的計(jì)算q為壓電元件表面的電荷密度（極化強(qiáng)度），單位：C/cm2； Q為電荷量，S為受作用力的表面的面積。 d為壓電常數(shù)，即晶體承受單位作用力時所產(chǎn)生的電荷量， 單位：C/N；當(dāng)受力方向和變形不同時，d也不同。 i=1、2、3為電荷平面法線方向，即x、y、z軸向； j= 1、2、3、4、5、6表示作用力的方向； 為作用面上的應(yīng)力，單位：N/

3、cm2； F為作用力； S為受作用力的表面的面積。 第4頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日二、壓電元件的坐標(biāo)系表示法第5頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日各平面的電荷密度：第6頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日壓電系數(shù)矩陣：石英晶體的壓電系數(shù) 矩陣：第7頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日其它壓電常數(shù)： 3. 機(jī)電耦合系數(shù)K1. 壓電常數(shù)g2. 壓電常數(shù)h第8頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日三、石英晶體的壓電效應(yīng)1.石英晶體第9頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22

4、分，星期日2. 壓電效應(yīng)（1）縱向壓電效應(yīng) 在電軸方向施加作用力時，在與電軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷。電荷密度 ：第10頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日（2） 橫向壓電效應(yīng)在機(jī)械（Y）軸向力作用下，引起的壓電效應(yīng)。因?yàn)殡姾擅芏龋O化強(qiáng)度） 所以第11頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日4DABC（a）硅原子帶有4個正電荷，氧原子帶有2個負(fù)電荷，正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。 圖6-3 石英晶體壓電效應(yīng) 35261412354612635AB第12頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日3.特點(diǎn)： 石英晶體是一種天然晶

5、體，它的壓電系數(shù)為d11=2.3110-12 C/N。莫氏硬度為7，熔點(diǎn)為1750，膨脹系數(shù)僅為鋼的1/130。作為常用的壓電傳感器具有轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550（壓電系數(shù)不隨溫度而該改變）、工作濕度高達(dá)100%等優(yōu)點(diǎn)，它的穩(wěn)定性是其他壓電材料無法比擬的。 第13頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日四、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)1.壓電陶瓷的極化特性第14頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日2.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第15頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日3. 壓電陶瓷的特點(diǎn) 壓

6、電系數(shù)大，靈敏度高，成本低。 缺點(diǎn)：居里點(diǎn)低，溫度穩(wěn)定性、機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。 第16頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日壓電系數(shù)d：表示壓電材料產(chǎn)生電荷與作用力的關(guān)系。一般為單位作用力下產(chǎn)生電荷的多少（單位：C/N）。剛度H： 是壓電材料的固有頻率的重要參數(shù)。介電常數(shù)：是決定壓電晶體固有電容的主要參數(shù)，固有電容將影響傳感器工作頻率的下限值。電阻R：是壓電晶體的內(nèi)阻，其大小決定泄漏電流。居里點(diǎn)：即壓電效應(yīng)消失的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。五、壓電材料的主要特性指標(biāo) 第17頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日常用壓電材料的性能參數(shù)：第18頁，共41頁，2022年，5

7、月20日，16點(diǎn)22分，星期日第二節(jié) 等效電路與測量電路 一、等效電路兩極板間的電壓為 只有在外電路負(fù)載RL無窮大，內(nèi)部也無漏電時，受力所產(chǎn)生的電壓U才能長期保存下來，如果負(fù)載RL不是無窮大，則電路就要以時間常數(shù)RLCa按指數(shù)規(guī)律放電。 第19頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日當(dāng)需要壓電元件輸出電荷時，可以把壓電元件等效為一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的電荷等效電路。在開路狀態(tài)，其輸出端電荷為： 當(dāng)需要壓電元件輸出電壓時，可以把壓電元件等效為一個電壓源與一個電容相串聯(lián)的電壓等效電路。在開路狀態(tài)，其輸出端電壓為： 第20頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期

8、日第二節(jié) 等效電路與測量電路1、壓電傳感器等效電路第21頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日2、壓電式傳感器測試系統(tǒng)等效電路壓電元件的輸出信號非常微弱，一般要把其輸出信號通過電纜送入前置放大器放大，這樣在等效電路中就必須考慮前置放大器的輸入電阻、輸入電容、電纜電容以及傳感器的泄漏電阻（絕緣電阻）。 第22頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日二、壓電元件的聯(lián)結(jié)方式 在壓電傳感器中，壓電材料一般不用一片，而常常采用兩片（或是兩片以上）黏結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。 1.串聯(lián) 2.并聯(lián) 第23頁，共41頁，2022年，5月20

9、日，16點(diǎn)22分，星期日1.串聯(lián)：此時兩壓電片電荷極性為正、負(fù)串聯(lián)輸出。其輸出電容為單片電容的一半，輸出總電荷等于單片電荷，但輸出電壓為單片電壓U的2倍。 第24頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日2. 并聯(lián)：此時兩壓電片電荷同極性端并聯(lián)。其輸出電容為單片電容的2倍，但輸出電壓等于單片電壓U，極板上電荷量為單片電荷量的2倍。第25頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日三、測量電路 通常將壓電傳感器的輸出信號輸入到測量電路的高輸入阻抗的前置放大器中來變成低阻抗輸出信號，然后再送到測量電路的放大、檢波、數(shù)據(jù)處理電路或顯示設(shè)備。由此看來，壓電傳感器的測量電路

10、中的關(guān)鍵部分在前置放大器。前置放大器的兩個作用：1.是放大，把壓電傳感器的微弱信號放大；2.是阻抗變換，那傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。 第26頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日前置放大器有兩種形式，一種是電壓放大器；另一種是電荷放大器。1.電壓放大器要求：（1）很高的輸入阻抗（1011M，這樣才能減小由于漏電造成的電壓、電荷的損失，不致引起過大的測量誤差）；（2）很低的輸出阻抗（小于100，帶負(fù)載能力強(qiáng)）；（3）Au0很大。 第27頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日三、測量電路1. 電壓放大器（阻抗放大器）R和C分別表示前置放大器的等效輸

11、入端電阻和等效輸入端電容 式中Ra代表測量電路的漏電阻，Ri代表放大器輸入端電阻； 式中CC代表測量電路聯(lián)線分布電容（電纜電容），Ci代表放大器入端電容。 第28頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日則等效電壓源的端電壓為假設(shè)給石英晶體壓電元件沿著電軸作用的軸向力為F=Fmsint，其壓電系數(shù)為d11，即壓電效應(yīng)為 Qa=d11F= d11Fmsint第29頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日 與作用力 之間的相位差為 當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力，即 時，前置放大器的輸入電壓等于零，這從原理上決定了壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量。 的幅值為 第30頁，

12、共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日令測量回路時間常數(shù)為 一般3，上式即可成立，此時說明電壓輸出型測量電路中的Ui與作用力f的變化頻率無關(guān)，即這種測量電路具有很好高頻響應(yīng)特性，這是其主要優(yōu)點(diǎn)。此時傳感器電壓靈敏度為 當(dāng)1 時第31頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日內(nèi)部裝有超小型阻抗變換器的壓電式加速度傳感器 將一種電壓放大器（阻抗變換器）直接裝進(jìn)傳感器內(nèi)部，使其一體化。由于該阻抗變換器充分靠近壓電元件，引線非常短，引線電容幾乎為0，這就避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響。 第32頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日第33頁，共41頁

13、，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日2. 電荷放大器當(dāng)開環(huán)增益A和輸入電阻Ri、反饋電阻Rf相當(dāng)大并視為開路時，放大器的輸出電壓正比于輸入電荷Q。第34頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日由于 所以一般A都很大，則Cf（1+A）（Ca+Cc+Cf） 于是采用可變電容Cf ，選擇范圍在10010000pF 為了提高放大器的穩(wěn)定性，一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個大電阻Rf（約10101014），以提供直流反饋。 第35頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日電荷放大器突出的優(yōu)點(diǎn)是：在一定條件Cf（1+A）（Ca+Cc+Cf）下，傳感器的輸出電壓、靈敏

14、度與電纜長度無關(guān)。第36頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日第三節(jié) 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例1. 壓電式加速度傳感器第37頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日2. 壓電式壓力傳感器第38頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日思考題：.壓電元件傳感器為什么不能測量靜態(tài)量，只能測動態(tài)量？.壓電元件傳感器的負(fù)載為什么是無窮大？.前置電壓放大器的作用是什么？.電荷輸出型測量電路的主要優(yōu)點(diǎn)有哪些？第39頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日再見！武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院第40頁，共41頁，2022年，5月20日，16點(diǎn)22分，星期日 媽媽新開了個淘