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1、第六章 压电式传感器,6.1 压电效应及材料,6.1.1 压电效应 在离子型晶体的电介质的一定方向上施加机械力而产生形变时，就会引起它内部的正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q且其电荷密度与外应力张量T成正比：,当外力消失，又恢复不带电状态；当外力方向改变，电荷极性随之改变。这种现象称为正压电效应，简称压电效应。,逆压电效应 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起它内部的正负电荷中心相对转移而导致电介质产生形变，且其应变S与外电场强度E成正比：,这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。可见，具有压电特性的电介质(压电材料)能实现机电能量
2、的相互转换,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。,6.1.2 压电材料,主要特性参数：压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数，影响压电输出的灵敏度；弹性常数：刚度决定压电器件的固有频率和动态特性介电常数：决定压电器件的固有电容，固有电容影响压电传感器的频率下限（C越大，频率下限就越低）。机械耦合系数：衡量压电材料机电能量转换效率。是转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根。电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，改善传感器的低频特性。居里点温度：压电材料开始丧失压
3、电特性的温度。即工作温度上限。,6.1.2.1压电晶体,单晶体结构：SiO2。正六面体。各向异性：,1 石英晶体,由晶体学可知，无对称中心的晶体，通常具有压电效应。,纵轴z：光轴，沿z轴方向的作用力不产生压电效应。电轴：x轴，电轴，垂直于此轴的面上压电效应明显。纵向压电效应。机械轴：y轴，切割方向，电场作用下沿该轴方向的机械变形最明显。横向压电效应。,石英晶体压电模型,外力0：正负离子分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极距P1，P2，P3。P=ql，l是正负电荷之间的距离。此时正负电荷重心重合，矢量和P1+P2+P3=0。晶体表面不产生电荷，呈中性。,Fx拉力（Fy 压力）：晶
4、体沿x方向压缩变形，正负离子相对位置变动。正负电荷重心不再重合，P1减小，P2，P3增加，使电偶极距在x方向上的分量不等于零，在x轴正方向出现负电荷；电偶极距在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。Fx压力（Fy 拉力）：晶体沿y方向压缩变形，P1增大，P2，P3减小。电偶极距x方向上的分量不等于零，x轴正方向出现正电荷；电偶极距在y方向上分量仍为零，不出现电荷。Fz0：晶体在x,y方向产生的形变完全相同，正负电荷重心重合，电偶极距矢量和等于零，晶体不会产生压电效应。,石英晶体,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形（续）,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,石英晶体振荡器（
5、晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,2.其它压电单晶 锂盐类压电和铁电单晶材料。时间稳定性好，居里点温度高达1200C，在高温、强辐射条件下仍具有良好的压电效应，且机械性能好，同时具有光电、声光效应。不足之处是质地脆，抗机械和热冲击性差。,6.1.2.2 压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。压电系数高，灵敏度较石英材料高，但工作温度低
6、，温度稳定性和机械强度都不如石英。,压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性(如图6.4所示)。要使之具有压电性，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强直流电场，迫使“电畴”趋向外电场方向作规则排列如图6.4(中)；极化电场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，从而呈现出压电性如图6.4(右)。,1.压电陶瓷的极化处理,2.常用压电陶瓷(书P138表61)压电陶瓷外形,无铅压电陶瓷及其换能器
7、外形（上海硅酸盐研究所研制）,6.1.2.3 新型压电材料,1、压电半导体 硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(Zno)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。显著特点：具有压电效应，又有半导体特性，可同时利用将两者结合，集元件与电路于一体，形成新型集成压电传感器系统。,2.有机高分子压电材料,聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽。,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,
8、高分子压电薄膜及拉制,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,压电式脚踏报警器,6.2.2 压电方程及压电常数矩阵（略）书P141图6-7,6.3 等效电路及测量电路,6.3.1.等效电路 相对介电常数为r，极化面积为A，厚度为t的压电片的两电极出现等量异号的电荷，中间为绝缘体，可视为一个自源电容器：,(a)当需要压电器件输出电压时，可等效为与电容串联的电压源，开路状态输出电压及电压灵敏度为：,(b)当需要压电器件输出电荷时，可等效为与电容并联的电荷源，开路状态输出电荷及电荷灵敏度为：,Ku与Kq之间存在如下关系：,以上为理想等效电路，只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路条件下成立。
9、,实际等效电路,考虑连接电缆分布电容Cc，放大器输入电阻Ri 和电容Ci，压电传感器泄露电阻Ra的影响。,图6.9压电传感器等效电路和测量电路(a)电压源；(b)电荷源,6.3.2 测量电路,测量电路的主要作用：压电传感器内阻较高、功率小，输出能量较小，测量电路需要高输入阻抗前置放大器。阻抗匹配：将高输出阻抗变换为低输出阻抗；信号放大：放大传感器输出的微弱信号（电压、电荷）。常用的测量电路形式：前置放大器：电压放大器、电荷放大器,6.3.2.1 电压放大器（阻抗变换器）,压电器件的输出电压为：,1.压电输出特性,故回路输出电压及灵敏度为：,回路输出电压：,灵敏度的幅值和相位为：,理想情况下：,
10、2.动态特性(实际输出电压和理想输出电压的比较),输出电压灵敏度：,从图中分析：(1)高频特性 当 1时，即当回路时间常数一定时，被测量频率越高，输出电压灵敏度越接近理想状态。表明器件高频响应特性好。,（2）低频特性当 1时，即当回路时间常数一定时，被测量频率越低，输出电压灵敏度越偏离理想状态。动态误差=(k-1)*100%越大。相位角误差也大。为保证低频工作时满足一定的精度，必须增加时间常数RC。途径一：增大C，但Kum将减小，不可取；途径二：增大R=RaRi/(Ra+Ri)，即要求放大器的输入电阻Ri足够大。,设计和使用时应注意:(1)特性曲线显示了被测角频率(=2f)、放大器输入电阻Ri
11、和动态误差或相位角误差之间的关系。因此在设计和应用压电传感器时，可根据给定的精度，合理选择Ri和f。(2)由于采用电压放大器的压电传感器，其输出电压受电缆分布电容Cc的影响。压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将偏离原标定的灵敏度，引入测量误差。解决办法：将放大器放入传感器中。电压放大器电路简单、成本低、工作可靠。但不能用于静态测量。,1.工作原理和输出特性 电荷放大器将压电器件高内阻的电荷源转换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使输出电压正比于输入电荷。且传感器的灵敏度不受电缆变化影响。输入阻抗10101012欧，输出阻抗小于100欧。优点：在一定条件下，传感器灵敏度
12、与电缆长度无关。电荷放大器实际是具有深度负反馈的高增益放大器，等效电路如下页图。,6.3.2.2 电荷放大器,结论：电路线性好，电缆对性能无影响,反馈电容为Cf。只要高增益运算放大器A开环增益、输入电阻Ri和反馈电阻Rf足够大，运放输入端电流几乎为零，则推导得：,高低频限高频上限(设电缆电容为Cc,电阻为Rc),低频下限：,四通道电荷放大器外形,.,上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,灵 敏 度：0.11000mV/pC频率范围：0.3100KHz 噪声(最大增益)：折合至输入端小于5V准 确 度：1%最大输出：10V/10mA电源：220V/50Hz 控制方式
13、：计算机或手动,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,其他电荷放大器外形,面板式电荷放大器,其他电荷放大器外形（续）,6.4 压电式传感器及其应用,凡是利用压电材料的各种物理效应构成的传感器均称为压电传感器；力电转换的变形方式(P148表65),受力及变形方式常用：厚度变形的压缩式、剪切变形的剪切式,多片压电材料的连接(a)并联，U不变，2Q 常用并联；(b)串联
14、，Q不变，2U,2.压电元件的结构和组合形式,压电传感器在压力较低时线性度不好，因此加入预加力，称预载，消除非线性，同时提高刚度。只有加预载才能测量拉力、交变力、剪力、扭矩。,表66 压电片串并联组合的特点,压电传感器的应用,一、高分子压电材料的应用,1.玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm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
15、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。,2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。,3.交通监测,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。,高分子压电电缆的应用演示,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。,压电(陶瓷)式动态力传感器以及在 车床中用于动态切削力的测量,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,压电传感器测量双腿跳的动态力,6.5 影响压电传感器工作性能的主要因素 6.5.1 横向灵敏度 6.5.2 环境温度和湿度 6.5.3 安装差异及基座应变 6.5.4 噪声,
