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1、主要内容 1.压电效应 2.压电材料 3.压电式传感器测量电路 4.压电式传感器的应用,压电式传感器是应用正压电效应将非电量转换成电量的一种传感器。材料受力变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量。压电式传感器本身具有转换能量，是一种典型的有源传感器;又称为发电式传感器。压电效应具有正压电、逆压电两种效应，具有可逆性，是一种典型的”双向传感器”。,特点:工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。应用范围：各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。,压电加速度计,压电陶瓷超声换能器,各种小巧的压力传感器,压电传感器的外形,压力变送器部件,压力变送器,压电
2、警号,压电陶瓷位移器,压电秤重浮游计,4.1 压电效应,正(顺)压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应。,自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英 晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。,压 电 晶 片,按特定方向切片,人工合成水晶,外形结构,石英晶体的理想外形,4.1.1
3、石英晶体的压电效应,光轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。,沿x方向施加压力时，右旋石英的x轴正向带正电，左旋石英的x轴正向带负电,当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。,电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。,晶体沿x方向将产生
4、压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。,电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、P2的增加而不等于零,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。,当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P1增大,P3、P2 减小。在垂直x轴表面上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。,当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。,如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压
5、电效应。,4.1.2 压电传感器的工作原理,1.正压电效应工作原理晶体受到x方向的压力Fx作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。由极化理论，在晶体线性范围内，极化强度与应力成正比，即,极化强度在数值上等于晶体面上的电荷密度,其极间电压为,2.逆压电效应工作原理在Ux的作用下，晶片沿X轴方向将产生伸缩，即,3.正压电效应的极化电荷方向,1)在x轴方向上施加压缩力时，右旋石英晶体，在x轴正向出现正电荷。2）在x轴方向施加拉伸力时，在垂直于x轴的平面上仍会出现等量电荷，但极性相反。3）在同一晶片上沿y轴方向作用力，其电荷仍在与x轴垂直的平面上出现。,由上述可知：1)无论是正压电效应还是逆压电效应
6、，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间成线性关系；2）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。3）石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应。,压电元件在受到力作用时，在相应的表面上产生表面电荷其计算公式为：,:单位面积上的作用力dij:压电常数q:电荷密度,i(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在i面上产生电荷。1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单向应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力,压电常数矩阵,石英晶体压电常数矩阵,石英晶体的基本变形形式,厚度变形（d1
7、1),长度变形（d12),面剪切变形,厚度剪切变形,体积变形,压电效应能量转换的几种基本形式,厚度受压型,长度受压型,厚度切变型,平面切变型,体积受压型,4.2 压电材料,压电材料分为三大类：压电晶体（石英），压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅）和新型压电材料（压电半导体和高分子压电材料）。,选择压电材料的依据：1.转换性能。（具有较大的压电常数）2.机械性能。3.电性能。（高电阻率和大介电常数）4.环境适应性。5.时间稳定性。,石英晶体的主要性能,具有实用价值的压电材料不需要人工极化没有热释电效应（由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应）介电常数、压电常数的温度稳定性好居里点温度达：57
8、30 c压电材料开始丧失压电性能的温度性能稳定、机械强度高,4.2.2 压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。,压电陶瓷极化处理,在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴
9、的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。,压电陶瓷的正压电效应如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转，极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化强度增大，内部束缚电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，呈现充电状态。这种因受力而产生的机械效应转换成电效应，将机械能转换为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷与外力成正比关系，即,2）压电陶瓷的逆压电效应如果在陶瓷片上施
10、加一个与极化方向相同的电场，由于电场方向与极化方向相同，所以电场的作用使极化强度增大，压电陶瓷片沿极化方向产生伸长变形。同理，若改变电场方向同极化方向相反，则陶瓷片将沿极化方向产生缩短变形。这种由电效应转变为机械效应，或者说将电能转换为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。变形与电场之间的关系为,分析可见：（1）压电陶瓷具有压电效应，是由于陶瓷内部存在着电畴，经极化处理后被迫取向排列，使内部存在剩余极化强度，在外作用（力或电场）下，能使极化强度变化，导致陶瓷出现压电效应。（2）陶瓷的极化电荷是束缚电荷，它们不能自由移动，陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极上的自
11、由电荷的释放或补充的结果。,4.3 压电传感器的等效电路,由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为 式中:s压电片的面积;h压电片的厚度;r压电材料的相对介电常数。,电压灵敏度 电荷灵敏度 它们之间的关系,压电传感器的实际等效电路压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接,因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc,放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra,等效电压源,等效电流源,4.4 压电式传感器的测量电路,压电元件结构形式,在实际应用
12、中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：,电路串联,电路并联,+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _,+_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _+,串联;电荷相等电压相加电容减小,并联：电压相等电荷相加电容相加,前置电路有两个作用，一是放大微弱的信号，二是阻抗变换；根据等效电路 压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。与其配套的测量电路也有电压放大器和电
13、荷放大器两种形式的电路。,压电式传感器的测量电路,4.4.2.1 电压放大器原理,电压放大器等效电路示意图,简化图,理想情况,前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：,A.=0（静态量）时，Uim/Uam=0（输入电压为零）所以不能测量静态量。B.3（高频情况），Uim/Uam1，实际接近理想，输入电压与作用力频率无关。C.一定，越高，高频响应越好对低频测量情况：一定，偏差越大所以要求要大，扩大低频响应范围,D.传感器电压灵敏度,从传感器电压灵敏度可见，连接电缆的分布电容Cc影响传 感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对 电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。,电荷放大
14、器原理,为解决电缆分布电容对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺点可采用电荷放大，而且集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。,电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。,结论：1)因U0f(Q，Cf)，只与变量Q，Cf有关，而与放大系数和电缆电容无关，故灵敏度与电缆无关。2)当Cf=常数时，则。3)当Cf增大时，Uo减小，故需选择合适的Cf值。,（1）理想电荷放大器原理,（2）实际电荷放大器原理,结论：1)电荷放大器的输出电压。2)U0f(Q，Cf)，只与变量Q，Cf有关，而与放大系数和电缆电容无关，但必须满足两个条件:和k，但电缆线不易
15、太长，否则会降低信噪比，使低频特性变坏。,4.5 压电传感器的应用,1压电晶体振荡器；2压电加速度计传感器；3压电式玻璃破碎报警器；4血压测量；5压电换能器，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器；6新型压电材料（聚偏二氟乙烯）,变形方式厚度伸缩：纵向压电效应长度伸缩：横向压电效应厚度切变：剪切压电效应长宽切变：面切压电效应体积压缩：纵横向压电效应,组合形式结构形状分：圆形、长方形、环形、柱状等元件数目分：单晶片、双晶片和多晶片极性方式分：串联、并联,加速度计，力传感器,压电式力和压力传感器,一、力传感器1、单向力传感器,2、双向力传感器,3、三向力传感器,受力分析,二、压力传感
16、器膜片式压电压力传感器：,后座,垫圈,外壳,石英晶片,导电片,传力块,膜片,压电式血压传感器如图压电陶瓷，双晶片悬梁结构。双晶片极化方向相反，并联相接。在敏感振膜中央上下两侧各胶粘有半圆柱塑料块。被测动脉血压通过上塑料块、振膜、下塑料块传递到压电悬梁的自由端。压电梁弯曲变形产生压电式血压传感器的电荷输出。,压电式玻璃破碎报警器,（1）工作原理结构组成,壳体,弹簧,质量块,压电片,压电式加速度传感器,压电式加速度传感器属于惯性式传感器。测量时传感器基座与试件刚性连接在一起。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，当传感器受振时，质量块受到与加速度方向相反的力的作用，并作用在压电元件上。当被测振动频
17、率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。传感器输出电荷也与加速度成正比。,（2）工作原理,质量块的绝对位移x2，激励为x1，质量块相对位移xt,频响特性受力分析,拉氏变换得,传递函数为,（3）压电加速度传感器的结构,1、压缩型,特点：,基于厚度变形,结构简单。频响好（固有频率高）灵敏度高对环境影响（基座变形、应变、温度变化、声噪声）比较敏感,2、剪切型,预紧环,压电元件,质量块,三角中心柱,三角剪切型,H剪切型,压电元件,质量块,剪切型的特点,受环境影响小横向灵敏度小尺寸小、重量轻灵敏度高频响高,(a)中心安装压缩型(b)环形剪切型(c)三角剪切型,常用的压电式加速度计的结
18、构形式如图所示。S是弹簧，M是质量块，B是基座，P是压电元件，R是夹持环。图a是中央安装压缩型，压电元件质量块弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接。这种结构有高的共振频率。然而基座B与测试对象连接时，如果基座B有变形则将直接影响输出。此外，测试对象和环境温度变化将影响压电元件，并使预紧力发生变化，易引起温度漂移。图b为环形剪切型，结构简单，能做成极小型、高共振频率的加速度计，环形质量块粘到装在中心支柱上的环形压电元件上。由于粘结剂会随温度增高而变软，因此最高工作温度受到限制。图c为三角剪切形，压电元件由夹持环将其夹牢在三角形中心柱上。加速度计感受轴向振动时，压电元件承受切应力。这种结构对
19、底座变形和温度变化有极好的隔离作用，有较高的共振频率和良好的线性。,3、三向加速度传感器利用三组压电元件,第一组：压缩型第二组：剪切型第三组：剪切型,由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示 仪表或记录器。目前，制造厂家已有把压电式加速度传感器与前置放大器集成在一起的产品，不仅方便了使用，而且也大大降低了成本。,振动分析,飞机轮子振动分析,影响压电式传感器主要因素横向灵敏度环境温度和湿度安装差异及基座应变噪声(电缆噪声，接地回路噪声）等,
