传感器与检测技术压电式传感器概要

《传感器与检测技术压电式传感器概要》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器与检测技术压电式传感器概要（55页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电警号压电警号第1页/共55页第一页，编辑于星期日：九点 二十二分。第2页/共55页第二页，编辑于星期日：九点 二十二分。1.第3页/共55页第三页，编辑于星期日：九点 二十二分。电能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应1.第4页/共55页第四页，编辑于星期日：九点 二十二分。2.第5页/共55页第五页，编辑于星期日：九点 二十二分。对压电材料特性要求转换性能转换性能。要求具有较大压电常数。要求具有较大压电常数。机械性能机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有。压电元件作为受

2、力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。振动频率。电性能电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。性。环境适应性环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。围。时间稳定性时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。第6页/共55页第六页，编辑于星期日：九点 二十二分。2.第7页/共55页第七页，编辑于星期日：九点 二十二分。

3、2.第8页/共55页第八页，编辑于星期日：九点 二十二分。第9页/共55页第九页，编辑于星期日：九点 二十二分。在晶体学中，可以把将其用三根互在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，相垂直的轴表示，其中，纵轴纵轴Z Z称称为为光轴光轴，光线沿，光线沿Z Z轴方向通过晶体不发轴方向通过晶体不发生双折射，此轴可用光学方法确定。沿生双折射，此轴可用光学方法确定。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称光轴的作用力不产生压电效应，故又称作作中性轴中性轴。第10页/共55页第十页，编辑于星期日：九点 二十二分。X X轴轴称为称为电轴电轴，它通过两个相对的，它通过两个相对的棱线，是相邻柱面内夹角的

4、等分线棱线，是相邻柱面内夹角的等分线并且要与并且要与Z Z轴垂直。轴垂直。垂直与此轴的晶面上有最强的压电效垂直与此轴的晶面上有最强的压电效应。应。第11页/共55页第十一页，编辑于星期日：九点 二十二分。垂直于垂直于XOZXOZ平面的平面的y y轴为机械轴，在电轴为机械轴，在电场作用下，场作用下，y y轴方向有最明显的机械变形。轴方向有最明显的机械变形。第12页/共55页第十二页，编辑于星期日：九点 二十二分。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴YY方向的力作用下产生电荷的压电效

5、应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。2.第13页/共55页第十三页，编辑于星期日：九点 二十二分。硅氧离子的排列示意图( (a a) ) 硅氧离子在硅氧离子在Z Z平面上的投影平面上的投影（b b）等效为正六边形排列的投影）等效为正六边形排列的投影(b)(a)+-YXXY+2.第14页/共55页第十四页，编辑于星期日：九点 二十二分。Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+电偶极矩分析2.第15页/共55页第十五页，编辑于星期日：九点 二十二分。电偶极矩分析电偶极矩第16页/共55页第十六页，编辑于星期日：九点

6、二十二分。电偶极矩分析电偶极矩电偶极矩第17页/共55页第十七页，编辑于星期日：九点 二十二分。石英晶体的上述特征与内部分子结构有关： 当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶 极矩， 晶体呈中性； 当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现正电荷； 当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现负电荷； 123PPP123123,()0PPPPPP123123,()0PPPPPP归纳：第18页/共55页第十八页，编辑于星期日：九点 二十二分。 若从晶体上切下一块如图5-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产

7、生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度11与应力x 成正比。第19页/共55页第十九页，编辑于星期日：九点 二十二分。压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系: d为压电系数在X轴方向施力时,产生电荷大小为: 1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: 2为Y方向应力压电系数 d11=-d12 为常数 a 、b是晶体切片几何尺寸(厚、长)QdF111xqd122ybqda关系式：第20页/共55页第二十页，编辑于星期日：九点 二十二分。压电石英晶体的特点：压电石英晶体的特点： 压电常数小，其时间和温度稳定性好，常温下几乎不变。压电常数小，其时间和温度稳定性好，常温下几

8、乎不变。 机械强度和品质因数高，许用应力高达（机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.99.86.99.8）10107 7MPaMPa，且刚度大，固有频，且刚度大，固有频率高，动态特性好。率高，动态特性好。居里点为居里点为573573，重复性好、绝缘性好。，重复性好、绝缘性好。 对于天然石英，上述性能尤佳，它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感对于天然石英，上述性能尤佳，它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。器。第21页/共55页第二十一页，编辑于星期日：九点 二十二分。压电陶瓷压电陶瓷谐波器超声波医学压电陶瓷压电陶瓷晶片压电陶瓷蜂鸣器打火用压电陶瓷第22页/共55页第

9、二十二页，编辑于星期日：九点 二十二分。压电陶瓷第23页/共55页第二十三页，编辑于星期日：九点 二十二分。第24页/共55页第二十四页，编辑于星期日：九点 二十二分。第25页/共55页第二十五页，编辑于星期日：九点 二十二分。第26页/共55页第二十六页，编辑于星期日：九点 二十二分。+_U_+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + +_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _电路串联电路串联+_+_U电路并联+ + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

10、 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+ + + + + + + + + + + C C串串= =C C/2/2，U U串串=2=2U U，Q Q串串= =Q QC C并并=2=2C C，U U并并= =U U，Q Q并并=2=2Q Q采用串联方式传感器本身电容小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号的场合。采用并联方式传感器本身的电容大，输出电荷量大，时间常数大，适用于测量缓慢信号和以电荷作为输出的场合。第27页/共55页第二十七页，编辑于星期日：九点 二十二分。4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器（1 1）等效电路）等效电路aSCdQCa第28页/

11、共55页第二十八页，编辑于星期日：九点 二十二分。4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器（1 1）等效电路）等效电路因此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源与电容相并联因此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源与电容相并联的电荷等效电路。如下图所示。开路状态输出电荷为的电荷等效电路。如下图所示。开路状态输出电荷为UCQa第29页/共55页第二十九页，编辑于星期日：九点 二十二分。aQUC4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器因此，压电传感器还可因此，压电传感器还可以等效为以等效为电压源电压源Ua和一个和一个电容器电容器C

12、a的串联电路，如图的串联电路，如图 。第30页/共55页第三十页，编辑于星期日：九点 二十二分。实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。压电元件并非理想原件，内部存在泄露电阻Ra，压电传感器完整的等效电路可表示为：4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器CaRaCcRiCiq压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻第31页/共55页第三十一页，编辑于星期日：九点 二十二分。可

13、见，压电传感器的泄露电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器泄露电阻应保待在1013以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。 CaRaCcRiCiqCa传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻第32页/共55页第三十二页，编辑于星期日：九点 二十二分。由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放

14、大器中，经过由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）在于高阻抗输入的前置放大器。）4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器第33页/共55页第三十三页，编辑于星期日：九点 二十二分。前置放大器的作用前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信：一是将传

15、感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器电压放大器，其，其输出电压输出电压与与输入电压输入电压(即传感器的输即传感器的输出出)成成正比正比；另一种是用带电容板反馈的；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器电荷放大器，其，其输出电压输出电压与与输入电荷输入电荷成成正比正比。由于电荷放。由于电荷放大器电路的大器电路的电缆长度变化的影响不大电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。4.4.压电式传感器的等

16、效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器第34页/共55页第三十四页，编辑于星期日：九点 二十二分。其输入电压其输入电压导致电压放大器输入电压与屏蔽电缆线的分布电容导致电压放大器输入电压与屏蔽电缆线的分布电容CcCc以及放大器的输入电容以及放大器的输入电容CiCi有关，他们均是变有关，他们均是变数，会影响测量结果。数，会影响测量结果。icaiCCCQU第35页/共55页第三十五页，编辑于星期日：九点 二十二分。可见：可见：连接电缆不宜太长，而且也不能随意更换电缆，否则会使传感器实际灵敏度与出厂标定灵敏度不一致，连接电缆不宜太长，而且也不能随意更换电缆，否则会使传感器实际灵敏度与出厂

17、标定灵敏度不一致，从而导致测量误差。从而导致测量误差。CcCc以及放大器的输入电容以及放大器的输入电容CiCi有关，他们均是变数，会影响测量结果。有关，他们均是变数，会影响测量结果。icaiCCCQU第36页/共55页第三十六页，编辑于星期日：九点 二十二分。A0CaUUSC电荷放大器原理电路图iRaqCFRFFscCqU第37页/共55页第三十七页，编辑于星期日：九点 二十二分。可见：l 电荷放大器中，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。l 缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。第38页/共55页

18、第三十八页，编辑于星期日：九点 二十二分。四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形 .第39页/共55页第三十九页，编辑于星期日：九点 二十二分。超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块 主要指标: 灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：5V或10V 电 源：6V15V 特点：可组成经济的多点测试系统第40页/共55页第四十页，编辑于星期日：九点 二十二分。其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器第41页/共55页第四十一页，编辑于星

19、期日：九点 二十二分。其他电荷放大器外形（续）第42页/共55页第四十二页，编辑于星期日：九点 二十二分。压电传感器的应用压电传感器的应用 一、高分子压电材料的应用 1. 1. 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置粘贴位置第43页/共55页第四十三页，编辑于星期日：九点 二十二分。质量块 将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10 20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。第44页/共55页

20、第四十四页，编辑于星期日：九点 二十二分。2 2压电式周界报警系统压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。第45页/共55页第四十五页，编辑于星期日：九点 二十二分。 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。3.3.交通监测交通监测 第46页/共55页第四十六页，编辑于

21、星期日：九点 二十二分。 将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示第47页/共55页第四十七页，编辑于星期日：九点 二十二分。压电压电( (陶瓷陶瓷) )式动态力传感器以及在式动态力传感器以及在 车床车床中用于动态切削力的测量中用于动态切削力的测量 第48页/共55页第四十八页，编辑于星期日：九点 二十二分。压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器

22、测量双腿跳的动态力第49页/共55页第四十九页，编辑于星期日：九点 二十二分。三、压磁式传感器三、压磁式传感器1.1.压磁效应压磁效应在机械力作用下，铁磁材料内部产生应力或应力变化，使在机械力作用下，铁磁材料内部产生应力或应力变化，使磁导率发生变化，磁阻相应也发生变化的现象称为压磁效磁导率发生变化，磁阻相应也发生变化的现象称为压磁效应应外力是拉力时，在作用力方向铁磁材料磁导率提高，垂直外力是拉力时，在作用力方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。第50页/共55页第五十页，编辑于星期日：九点 二十二分。三、压磁式传

23、感器三、压磁式传感器1.1.压磁效应压磁效应压磁元件结构如右图。压磁元件结构如右图。它把若干片形状相同的硅钢片叠合它把若干片形状相同的硅钢片叠合在一起，并用环氧树脂将片与片之在一起，并用环氧树脂将片与片之间粘合起来，在压磁元件上开四个间粘合起来，在压磁元件上开四个对称的孔，并分别绕有两个绕组。对称的孔，并分别绕有两个绕组。一般把一般把1 1、2 2孔的绕组作为一次侧绕孔的绕组作为一次侧绕组，把组，把3 3、4 4孔的绕组作为二次侧绕孔的绕组作为二次侧绕组。组。第51页/共55页第五十一页，编辑于星期日：九点 二十二分。三、压磁式传感器三、压磁式传感器2.2.压磁式力传感器工作原理压磁式力传感器

24、工作原理根据压磁效应原理，当在一次侧绕组根据压磁效应原理，当在一次侧绕组通过交变励磁电流时，铁心中产生磁通过交变励磁电流时，铁心中产生磁场，由于压磁元件在未受力时各向同场，由于压磁元件在未受力时各向同性，磁力线呈轴对称分布。如图（性，磁力线呈轴对称分布。如图（a a）所示。此时合成磁场强度平行于二次所示。此时合成磁场强度平行于二次侧绕组的平面，磁力线不与二次侧绕组侧绕组的平面，磁力线不与二次侧绕组交链，故二次侧不会感应出电动势。交链，故二次侧不会感应出电动势。（a）（b）第52页/共55页第五十二页，编辑于星期日：九点 二十二分。三、压磁式传感器三、压磁式传感器2.2.压磁式力传感器工作原理压

25、磁式力传感器工作原理当压磁元件受外力作用时，由于压磁当压磁元件受外力作用时，由于压磁元件内部引起各向磁导率的变化，磁元件内部引起各向磁导率的变化，磁力线分布呈椭圆形，如图（力线分布呈椭圆形，如图（b b）所示。）所示。于是合成磁场不再于二次侧绕组平面于是合成磁场不再于二次侧绕组平面平行，而有部分与二次侧绕组交链，平行，而有部分与二次侧绕组交链，在二次侧感应出电动势。在二次侧感应出电动势。而且，外力而且，外力F F越大，压磁元件中应力越越大，压磁元件中应力越大，磁力线交链越多，二次侧绕组感应大，磁力线交链越多，二次侧绕组感应电动势越大。电动势越大。经测量电路转换为经测量电路转换为U U和和I I，可得其与被测力之间的关系。，可得其与被测力之间的关系。（a）（b）第53页/共55页第五十三页，编辑于星期日：九点 二十二分。2.2.压磁式力传感器工作原理压磁式力传感器工作原理第54页/共55页第五十四页，编辑于星期日：九点 二十二分。感谢您的观看！第55页/共55页第五十五页，编辑于星期日：九点 二十二分。