傳感器原理及應(yīng)用第6章-壓電式傳感器資料第一頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器主要內(nèi)容

1.壓電效應(yīng)

2.壓電材料

3.壓電元件結(jié)構(gòu)

4.等效電路與測量電路

5.壓電傳感器的應(yīng)用第二頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器概述壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計(jì)壓電加速度計(jì)壓電警號第三頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器概述

壓電式傳感器以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量,是一種典型的發(fā)電型傳感器.

壓電式傳感器可以對各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。第四頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)（晶體）當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變;這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。壓電現(xiàn)象是晶體缺乏中心對稱引起的,自然界32種晶體點(diǎn)陣中，有中心對稱和非對稱兩大類，非中心對稱的21種中有20種有壓電效應(yīng)。第五頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場時(shí)，電介質(zhì)會產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以將機(jī)械能電能也可以將電能機(jī)械能

壓電元件機(jī)械能電能第六頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.1石英晶體

自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷。

石英晶體外形結(jié)構(gòu)石英晶體特征天然、人工兩種都屬于單晶體化學(xué)式為——SiO2外形無論再小都呈六面體沿各個(gè)方向的特征不同沿X（電軸）作用產(chǎn)生電荷稱縱向壓電效應(yīng)沿Y（機(jī)械軸）……………..橫向壓電效應(yīng)沿Z（光軸）不產(chǎn)生壓電效應(yīng)第七頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.1石英晶體——單晶體（水晶）壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶第八頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.1石英晶體

壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系:d為壓電系數(shù)為常數(shù)在X軸方向施力時(shí),壓電系數(shù)d11

產(chǎn)生電荷大小為:σ1為X方向應(yīng)力在Y軸方向施力時(shí),根據(jù)晶體的對稱性壓電系數(shù)d12=-d11

產(chǎn)生電荷大小為:σ2為Y方向應(yīng)力

a、b是晶體切片幾何尺寸(長、厚)

壓電特性的各向異性可用矩陣表示第九頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.1石英晶體

石英晶體的上述特征與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)：當(dāng)晶體不受力時(shí)F=0，正負(fù)離子分布在六邊形頂角，電偶極矩晶體呈中性；當(dāng)晶體受沿X軸方向的應(yīng)力時(shí)，X方向壓縮形變，電偶極矩在X軸的正方向出現(xiàn)正電荷；當(dāng)晶體受沿Y軸方向的應(yīng)力時(shí)，Y方向壓縮形變，電偶極矩在X軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷；晶體受沿Z軸方向的應(yīng)力時(shí)X、Y方向形變相同不產(chǎn)生壓電效應(yīng)；應(yīng)力方向?yàn)槔r(shí)，電荷極性與上述相反。第十頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.1石英晶體石英晶體壓電模型第十一頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.1石英晶體動(dòng)畫演示石英晶體壓電模型動(dòng)畫演示第十二頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.1石英晶體

石英晶體的主要性能參數(shù)：壓電常數(shù)；彈性常數(shù)（動(dòng)態(tài)特性）；介電常數(shù)；機(jī)械耦合系數(shù)；電阻（密度）；居里點(diǎn)溫度。第十三頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.2壓電陶瓷（多晶體）

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，材料的內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向。無電場作用時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消，呈中性。第十四頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.2壓電陶瓷（人工多晶體）

施加外電場時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場方向排列。外電場強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場一致。外電場去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體。第十五頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.2壓電陶瓷（多晶體）第十六頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.2壓電陶瓷（多晶體）

晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外力成正比關(guān)系，電荷密度：

d33——壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)，

d33比d11、d12大的多所以壓電陶瓷制作傳感器靈敏度比壓電晶體高，但極化后的壓電陶瓷受溫度影響又使壓電特性減弱。隨時(shí)間延長（2年后）d33會下降，作為傳感器使用時(shí)要經(jīng)常校準(zhǔn)修正。第十七頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.2壓電材料

6.2.3聚偏氟乙烯壓電材料聚偏氟乙烯壓電效應(yīng)

石英和壓電陶瓷是性能較好的壓電材料，但有共同的缺點(diǎn)，密度大、硬、易碎，不耐沖擊，難以加工。而PVF2、PVDF材料能很好的克服這一缺陷，可以作成輕小柔軟的壓電元件。這些材料分子鏈中C—F鍵具有極性，有一定的偶極矩，通常晶胞內(nèi)的極矩相互抵消整體不顯極性，沒有壓電效應(yīng)。必須經(jīng)過特殊處理才會具有良好的壓電效應(yīng)。經(jīng)過拉伸、極化過程。第十八頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.3壓電元件結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、四片壓電元件組成在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在連接方法，雙片連接時(shí)：U’+__+++++++++++___________++++++++++____________

按+--+連接時(shí)電路串聯(lián)電壓增加一倍適用于電壓放大器+_+_U’

按+-+-連接時(shí)電路并聯(lián)電荷增加一倍適用于電荷放大器+++++++++++_______________________+++++++++++第十九頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.1壓電傳感器等效電路

壓電元件電荷Q的開路電壓U可等效為電壓源U與電容Ca串聯(lián)；電荷源Q和電容Ca并聯(lián)。一個(gè)電容為Ca的電容器極板上聚集有Q電荷時(shí)，兩極板間的電壓為：等效電容為：第二十頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.1壓電傳感器等效電路

等效電壓源

等效電流源

傳感器接測量電路時(shí)還要考慮電纜等效電容Cc、輸入電容Ci、放大器輸入電阻Ri、傳感器漏電阻Ra。測量儀器前置放大傳感器

壓電傳感器簡單測量系統(tǒng)第二十一頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.1壓電傳感器等效電路

根據(jù)等效電路壓電傳感器靈敏度有兩種等效電壓源

等效電流源根據(jù)它們之間的關(guān)系有：電壓靈敏度電荷靈敏度第二十二頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.1壓電傳感器等效電路

由等效電路可見，只有在負(fù)載RL→∞時(shí)（無漏電），受力產(chǎn)生的電荷Q才能長期保存下來，否則放電回路很快將電荷放掉，因此測量頻率較低時(shí)必須保證RL很大,使RLCa=τ足夠大。壓電元件內(nèi)阻很高需要前置電路有高的輸入阻抗。前置電路有兩個(gè)作用一是放大微弱的信號、二是阻抗變換根據(jù)等效電路壓電元件輸出可以是電壓源也可以是電荷源。因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器、電荷放大器第二十三頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路6.4.2測量電路

（1）電壓放大器

電壓放大器等效電路示意圖第二十四頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.2測量電路（1）電壓放大器（阻抗變換器）

如果壓電元件沿電軸為正弦作用力變化，產(chǎn)生的電荷與電壓也按正弦變化:理想情況輸入電壓幅值輸入的實(shí)際幅值（有效值）d壓電系數(shù)ω信號頻率R=Ra//Ri相位差第二十五頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.2測量電路（1）電壓放大器

傳感器電壓靈敏度前置放大器實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓的比值為：令前置放大器輸入回路的時(shí)間常數(shù)為：

相對幅頻特性和相頻特性分別為：理想實(shí)際第二十六頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.2測量電路討論：（1）電壓放大器壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量；當(dāng)ωτ≥3時(shí)輸入與信號頻率無關(guān)，高頻響應(yīng)特性好，優(yōu)點(diǎn)；提高低頻響應(yīng)的辦法是增大τ，但不能靠輸入電容Ca,因?yàn)殡妷红`敏度與電容成反比。實(shí)際是增大前置輸入回路電阻Ri.。從傳感器電壓靈敏度Ku可見，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重新標(biāo)定，測量系統(tǒng)對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點(diǎn)。第二十七頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.2測量電路

電壓放大器實(shí)例：阻抗變換電路，用場放應(yīng)管實(shí)現(xiàn)高阻抗匹配的放大自舉反饋電路（跟隨器）。R1、R2分壓，經(jīng)Rg耦合作場效應(yīng)管偏置。觀察Rg兩端電壓，信號到經(jīng)C1耦合到Rg的A端，由于場效應(yīng)管跟隨作用，使S（源）G（柵）間電壓大小近似相等、相位相同。信號經(jīng)C2耦合到Rg的B端，這時(shí)Rg兩端電壓近相等，Rg上的電流很小，意味著場效應(yīng)管的輸入阻抗并沒有因分壓電路而降低。第二十八頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.2測量電路（2）電荷放大器

為解決電纜分布電容Cc對傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)差的缺點(diǎn)可采用電荷放大，而且集成運(yùn)放組成的電荷放大器有較好的性能。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。利用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。其輸出電壓為：

壓電傳感器的輸入電路由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。因運(yùn)放輸入端阻抗高，幾乎無分流，可忽略Ra、Ri并聯(lián)電阻第二十九頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.2測量電路

（2）電荷放大器工作頻率足夠高時(shí)（Rf>>Xc），忽略（1+A）/Rf＜＜ωCf

可求得電荷放大器輸出電壓

可認(rèn)為電荷放大器一般都滿足理想條件當(dāng)A>>1滿足，通常A=104～108通常:Ca=幾十pf,Cc=100pf/m,Cf=102-108pf,A>105,∴（1+A）Cf>>Ca+Ci+Cc第三十頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6.4等效電路與測量電路

6.4.2測量電路

（2）電荷放大器討論：

電荷放大器的輸出電壓U0只取決于輸入電荷Q和反饋電容Cf，輸出電壓與電纜電容Cc無關(guān)，與Q成正比，與電容Cf成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)?？紤]不同量程因素Cf的容量做成可以選擇的電容，一般為100～104pF。缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用電荷放大器，電纜長度變化影響可忽略，并且允許使用長電纜工作。第三十一頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6．5壓電傳感器的應(yīng)用1．壓電晶體振蕩器；2.壓電式測力傳感器3．壓電加速度計(jì)傳感器；4．壓電式玻璃破碎報(bào)警器；5．血壓測量；6．壓電換能器，發(fā)射（揚(yáng)聲器）、接收（麥克風(fēng)）、收聽器、超聲波換能器；7．新型壓電材料（聚偏二氟乙烯）第三十二頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6．5壓電傳感器的應(yīng)用壓電式壓力傳感器壓電晶體被夾在兩塊膜片之間，壓電晶體在振動(dòng)時(shí)受到來自兩個(gè)膜片上同方向的力，使壓電晶片無電荷輸出。但靈敏度低一半。具有加速度補(bǔ)償?shù)膲弘娛綁毫鞲衅鳎谌?，?1頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6．5壓電傳感器的應(yīng)用壓電式加速度傳感器第三十四頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6．5壓電傳感器的應(yīng)用壓電式玻璃破碎報(bào)警器第三十五頁，共41頁。傳感器原理及應(yīng)用第6章壓電式傳感器6．5壓電