《压电传感器修改.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压电传感器修改.ppt（52页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第6章 压电式传感器,本章内容,压电式传感器测量电路,压电式传感器应用,2,6.1 压电式传感器的工作原理,电势型传感器 以压电效应为基础压电效应可逆“双向传感器”正压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。(加力 变形 产生电荷),3,逆压电效应 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场 电介质产生变形 应力)常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等
2、。,4,2023/8/10,5,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。,5,6.1.1 石英晶体的压电效应,X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。,6,Z轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而以它作为基准轴；X轴为电轴，该轴压电效应最为显著，它通过六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然X轴共有三个；Y轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。,石英晶体的压电效应,图6.1.3
3、石英晶体的压电机构示意图,P1P2P30,（P1P2P3）X0,0,（P1P2P3）Y0（P1P2P3）Z0,（P1P2P3）X0,（P1P2P3）Y0（P1P2P3）Z0,7,晶体切片,当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷,d11压电系数（C/N）,（）,8,（）,其极间电压为,电极面间电容,晶体在X轴方向将产生伸缩,（）,Ex X轴方向的电场强度,切片上电荷的符号与受力方向的关系,图（a）是在X轴方向受压力，图（b）是在X轴方向受拉力，图（c）是在Y轴方向受压力，图（d）是在Y轴方向受拉力。,9,图6.1.5(c)、(d)，此时电荷的大小为,根据石英晶体轴对称条件：,
4、由上述可知：无论是正或逆压电效应，其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上 定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。,10,则其电极间电压为,根据逆压电效应，晶片在Y轴方向将产生伸缩变形,石英晶体,一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。,11,传感器原理与应用，赵梦恋/吴晓波12,CopyrightZh
5、ejiang Univeristy,2009,压电方程及压电常数矩阵,石英晶体的压电方程,传感器原理与应用，赵梦恋/吴晓波13,CopyrightZhejiang Univeristy,2009,式中,传感器原理与应用，赵梦恋/吴晓波14,CopyrightZhejiang Univeristy,2009,压电常数矩阵ddij,全压电效应：,传感器原理与应用，赵梦恋/吴晓波15,CopyrightZhejiang Univeristy,2009,X0切型石英晶体的压电常数矩阵,传感器原理与应用，赵梦恋/吴晓波16,CopyrightZhejiang Univeristy,2009,dt,石英晶
6、体的逆压电方程,逆压电效应：,逆压电方程的压电常数矩阵是正压电方程压电常数矩阵的转置矩阵。,传感器原理与应用，赵梦恋/吴晓波17,CopyrightZhejiang Univeristy,2009,综上所述，可得(1)压电晶体的正压电效应和逆压电效应是相应存在的，哪个方向上存在正压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，且力-电间呈线性关系(2)石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应-压电常数矩阵X方向：只有d11的纵向压电效应(图a)，d12的横向压电效应(图b)和d14的剪切压电效应(图c)；Y方向：只有d25和d26的剪切压电效应(图c和d)；Z方向：无任何压电效应,传感器原理与应用，赵
7、梦恋/吴晓波18,CopyrightZhejiang Univeristy,2009,二、压电陶瓷经极化处理后的人工多晶铁电体,极化处理在一定温度下施加强直流电场，迫使“电畴”去向外电场方向作规则排列；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强得剩余极化，从而呈现出压电性。,特点：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，性能可控；成型工艺性好，成本低廉。,陶瓷片极化,压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图,自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，因此陶瓷片对外不表现极性。,19,压电陶瓷的正压电效应,压电陶瓷片上加上一个与极化方向平
8、行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。,放电电荷的多少与外力的大小成比例关系,Q 电荷量；d33 压电陶瓷的压电系数；F 作用力。,20,若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图所示，内于电场的方间与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。,陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变(图中虚线),如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。,由于电效应而转变
9、为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。,21,传感器原理与应用，赵梦恋/吴晓波22,CopyrightZhejiang Univeristy,2009,5.2.2 压电陶瓷的压电方程,压电常数矩阵：,其中,极化方向定义为z轴，垂直于z轴的平面内则各向同性。与z轴正交的任何方向都可取作x轴和y轴，且压电特性相同。,钛酸钡,传感器原理与应用，赵梦恋/吴晓波23,CopyrightZhejiang Univeristy,2009,体积压缩压电常数,(1)x和y方向只有d15和d24的厚度剪切压电方向(图c)；(2)z方向存在d33的纵向压电效应(图a)，d31和d32的横向压电效应
10、(图b)；(3)z方向还可得三向应力T1、T2、T3同时作用下，产生体积变形压电效应(图d)；当外加三向应力相等时，由压电方程式得,以钛酸钡为例，在y轴受到1N/m2的切应力。试求出在各方向产生的电荷密度。,24,（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度等外界条件的变化小，温度稳定性好，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素（如钨、铌等），可以获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数
11、，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。,压电陶瓷种类,25,6.2 压电式传感器测量电路,等效电路测量电路,26,等效电路,图6.2.1 压电传感器的等效原理,27,压电式传感器的等效电路,等效成一个电压源U a=q/Ca 和一个电容Ca的串联电路等效为一个电荷源q与一个电容Ca并联的电路,28,图压电传感器的完整等效电路,如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线的等效电容、电阻，前置放大器的输入电阻、输入电容。,压电传感器的绝缘电阻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，就要求压电传感器的绝缘
12、电阻保持在,才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。,以上,29,测量电路,压电式传感器的前置放大器有两个作用：,一是把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；二是放大压电式传感器输出的弱信号。,前置放大器也有两种形式：一种是电压放大器，其输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比；另一种是电荷放大器其输出电压与输入电荷成正比。,30,1 电压放大器,Ca：传感器的电容 Ra：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容Ri：放大器的输入电阻Ci：放大器的输入电容,31,等效电阻R为,等效电容为,前置放大器输入电压,压电元件的力 F=Fmsint 压电元件的压电系数为d33，产生的电荷
13、为Q=d33F。,输入电压的幅值,当作用力是静态力（=0）时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。,32,输入电压与作用力之间的相位差：,令,为测量回路的时间常数,令,如果,作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压,与频率无关。,可以近似看做输入电压与作用力频率无关。,当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，,CC将改变,也随之变化,也变化,在设计时，常常把电缆长度定为一常值。因而在使用时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值,34,（）,（）,传感器的电压灵敏度与回路电容成反比，增加回路
14、电容必然使传感器的灵敏度下降。为此常将输入内阻很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大则传感器低频响应也越好。,35,36,例1已知电压前置放大器输入电阻及总电容分别为Ri1M，Ci100pF，求与压电加速度计相配测量1Hz的振动时幅值误差为多大？,2 电荷放大器,能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于100。使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。,37,压电传感器与电荷放大器等效电路,A0是放大器的开环增益，（-A0）表
15、示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。,38,（）,CF、RF等效到A0的输入端时，电容CF增大(1A0）倍，1/RF也增大了(1A0）倍，这就是所谓“密勒效应”的结果。,若考虑电缆电容CC，,，则有,（）,（）,几点结论：1、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，2、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成 线性关系的输出电压。3、反馈电容CF小，输出就大，4、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择合适的反馈电容。,40,A0足够大时，传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大
16、器的输出。USC只决定于输入电荷q和RF、CF,由于,41,将压电式传感器与一只灵敏度为Sv且可调的电荷放大器连接，然后接到灵敏度为Sx=20mm/V的光线示波器上记录，现知压电式压力传感器灵敏度为Sp=5pc/Pa，该测试系统的总灵敏度为S=0.5mm/Pa，试问：电荷放大器的灵敏度为Sv应调为何值（V/pc）?用该测试系统测40Pa的压力变化时，光线示波器上光点的移动距离是多少？,42,例2一只压电晶体的电容为Ca1000pF，电荷灵敏度为Sq2.5pc/N，电缆电容为Cc3000pF，示波器的输入阻抗为1M，输入电容为50pF。(1)求压电晶体的电压灵敏度。(2)分析测量系统的频率响应特
17、性。(3)如果系统允许的测量幅值误差为5，可以测量的最低频率为多大？(4)如果频率为10Hz，允许误差为5，用并联连接方式，并联电容的值为多大？,6.3 压电式传感器应用,43,压电式加速度传感器,有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应型是最常见的一种结构,当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力为,44,电荷量直接反映加速度大小。它的灵敏度与压电材料压电系数d33和质量块质量m有关。,为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片,增加压电片的数目和采用合理的连接方法也可以提高传感器灵敏度。
18、,45,压电片的连接方式,并联片上的负极集中在中间极上，串联正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。,压电片的连接方式比较,并联接法输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合；串联接法输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。,47,例5一只压电式加速度计，供它专用的电缆的长度为1.2m，电缆电容为100pF，压电片本身的电容为1000pF。出厂时标定的电压灵敏度为100V/g(g=9.8m/s2为重力加速度)，若使用中改用另一根长2.9m的电缆，其电容量为300pF，
19、问电压灵敏度如何改变？,48,例13 用石英晶体加速度计测量机器的振动，已知加速度计的灵敏度为2.5pC/g（g9.8m/s2），电荷放大器的灵敏度为80mV/pC，当机器达到最大加速度时，相应的输出电压的幅值为4V。试计算该机器的振动加速度为多大？,49,当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,6.3.2 压电式压力传感器,50,电荷灵敏度：,电压灵敏度：,51,例14 有一块压电晶体，其面积S=20mm2，厚度10mm，当受到p10MPa的压力作用时，求它所产生的电荷量Q及输出电压。（1）压电晶体为0度x切型的纵向石英晶体。（2）压电晶体为利用纵向效应的BaTiO3。,利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度不同来进行测量。,6.3.3 压电式流量计,流速与管道横截面积的乘积等于流量。,可以测量各种液体的流速。中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5，有的可达到0.01。,52,
