第六章 20壓電式傳感器.ppt

1、第一節(jié) 壓電效應(yīng)及壓電材料,第二節(jié) 壓電傳感器的等效電路及測(cè)量電路,第三節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用,第六章 壓電式傳感器,1,第一節(jié) 壓電效應(yīng)及壓電材料,一、壓電效應(yīng),順壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。,逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。,2,電能,機(jī)械能,順壓電效應(yīng),逆壓電效應(yīng),3,壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。 壓電材

2、料的主要特性參數(shù)有： 壓電常數(shù) 彈性常數(shù) 介電常數(shù),二、壓電材料,壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。,壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。,對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。, 機(jī)械耦合系數(shù),轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。, 電阻,壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。, 居里點(diǎn)溫度,它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。,4,5,（一） 石英晶體（SiO2） 在20200范

3、圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當(dāng)?shù)?73時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。,石英在高溫下相對(duì)介電常數(shù) 的溫度特性,石英的d11系數(shù)相對(duì)于20的d11溫度變化特性,6,（二）壓電陶瓷 1、鈦酸鋇壓電陶瓷 介電常數(shù)、壓電系數(shù)大（約為石英晶體的50倍）； 居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。,2、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 比鈦酸鋇壓電系數(shù)更大，居里溫度在300以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。 此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中

4、應(yīng)用最廣泛的壓電材料。,=BaCO3+TiO2,= PbTiO3+PbZrO3,7,三、石英晶體（SiO2）的壓電效應(yīng),X,縱向軸ZZ稱為光軸,經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為電軸,與XX軸和ZZ軸同時(shí)垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸,8,1、石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)原因,+,+,-,-,-,+,9,當(dāng)作用力F =0時(shí)，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3，此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30,10,當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX0,（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+

5、P3）Z=0,P2,P3,在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。,11,（P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0,P2,P3,P1,當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX0）作用時(shí)，其變化情況如圖（c）。此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為,在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。,這種沿X軸施加力，而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象即為縱向壓電效應(yīng)。,12,FY0 (P1+P2+P3)X0 X軸的正向: 正電荷 Y、Z軸方向無電荷,與沿X方向施壓力（FX0）作用相同,13,FY0 (P1+P2+P3)X0 X軸的正向：負(fù)電荷 Y、Z軸方向無電荷,P2

6、,P3,P1,與沿X方向施拉力（FX 0 ）作用相同,這種沿Y軸施加力，而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象即為橫向壓電效應(yīng)。,14,2、縱向壓電效應(yīng),式中, d11為x方向受力的壓電系數(shù) d11=2.3110-12C/N FX為作用力,FX,15,3、橫向壓電效應(yīng),式中：d12y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對(duì)稱性， 有d12= -d11；,16,四、陶瓷的壓電效應(yīng),無外電場(chǎng)作用時(shí),施加外電場(chǎng)時(shí),外電場(chǎng)去掉后,17, , , ,自由電荷,束縛電荷,無外力作用時(shí)電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度,18,這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。, , ,d33

7、 :壓電陶瓷的壓電系數(shù) F：作用力, , ,19,在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。,20,第二節(jié) 壓電傳感器的等效電路及測(cè)量電路,一、壓電晶片的連接方式,1、并聯(lián)連接,+,-,并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大， 時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。,21,2、串聯(lián)連接,-,+,

8、串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。,22,壓電式傳感器中的壓電元件，按其受力和變形方式不同， 大致有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式， 如圖所示。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。,(a) 厚度變形,(b) 長(zhǎng)度變形,(c) 體積變形,(d)面切變形,(e) 剪切變形,23,二、壓電傳感器的等效電路,靜電發(fā)生器,電容器,24,因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ce的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個(gè)電荷源q和一個(gè)電容器Ce的并聯(lián)電路，如圖(b)。,25,Cc ：連接電纜等效電容 Ri

9、 ：放大器輸入電阻 Ci ：輸入電容 Rd ：壓電傳感器泄漏電阻,26,三、壓電傳感器的測(cè)量電路,1、電壓放大器,作用為： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。,27,28,p117頁圖6-10所示，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時(shí)， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。,時(shí)，前置放大器的輸出電壓隨頻率變化不大。,即說明壓電傳感器的高頻響應(yīng)比較好，所以用于高頻交變力的測(cè)量。,29,2、電荷放大器,30,第三節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用,一、壓電力學(xué)傳感器,31,單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)

10、圖,傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.5mm，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其縱向壓電效應(yīng)， 通過d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為81mm。該傳感器的測(cè)力范圍為050N，最小分辨率為0.01 N，固有頻率為5060 kHz，整個(gè)傳感器重10 g。,32,壓電式金屬加工切削力測(cè)量 圖是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。 由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)， 切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化便可測(cè)得

11、切削力的變化。,33,二、壓電加速度傳感器,主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。,34,三、壓電式玻璃破碎報(bào)警器,BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器， 它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。 BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路如圖所示。傳感器的最小輸出電壓為100 mV，最大輸出電壓為100V， 內(nèi)阻抗為1520 k。,35,使用時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上，然后通過電纜和報(bào)警電路相連。為了提高報(bào)警器的

12、靈敏度，信號(hào)經(jīng)放大后，需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。由于玻璃振動(dòng)的波長(zhǎng)在音頻和超聲波的范圍內(nèi)， 這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí)，才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。玻璃破碎報(bào)警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其它商品柜臺(tái)保管等場(chǎng)合。,36,利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速。流速與管道橫截面積

13、的乘積等于流量。,此流量計(jì)可測(cè)量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。,根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測(cè)量聲速隨深度的分布情況,四、 壓電式流量計(jì),37,是一種高性能、低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡(jiǎn)便，體積小、重量輕、成本低等，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。,脈搏計(jì)照片,典型應(yīng)用： 脈搏計(jì)數(shù)探測(cè) 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤

14、振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警 振動(dòng)加速度測(cè)量 管道壓力波動(dòng) 其它機(jī)電轉(zhuǎn)換、動(dòng)態(tài)力檢測(cè)等,五、集成壓電式傳感器,38,力敏元件主要性能指標(biāo)： 壓力范圍 1kPa 靈敏度 0.2V/P 非線性度 1 F.S 頻率響應(yīng) 11000Hz 標(biāo)準(zhǔn)工作電壓 4.5V（DC） 擴(kuò)充工作電壓 315V(DC) 標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻 2.2k 擴(kuò)充電阻 1k12k 外形尺寸 12.77.6 重 量 1.5 集成壓電傳感器連線電路,39,六、壓電式傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用,如果地面下有一條均勻的直管道某處O點(diǎn)為漏點(diǎn)，振動(dòng)聲音從O點(diǎn)向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點(diǎn)放兩只傳感器，A、B距離為L(zhǎng)（已知或可測(cè)），從A、B兩個(gè)傳感器接收的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用時(shí)間為tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時(shí)間差為 t=tA- tB=（LA- LB）/V （1） 又 L =LA+LB （2）,1、檢測(cè)原理,40,因?yàn)楣艿缆裨O(shè)在地下，看不到O點(diǎn)，也不知道LA和LB的長(zhǎng)度，已知的是L和V，如果能設(shè)法求出t，則聯(lián)立（1）+（2）得： LA =(L+tV)/2 （3） 或者將（1）-（2