压电式传感器原理及应用讲稿.ppt

第一页，讲稿共二十七页哦l逆压电效应逆压电效应 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伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效电致伸缩效应应”，也叫做，也叫做“逆压电效应逆压电效应”。(施加电场施加电场 电介质电介质产生变形产生变形 应力应力)常见的压电材料有常见的压电材料有石英石英、钛酸钡钛酸钡、锆钛酸铅锆钛酸铅等。等。第二页，讲稿共二十七页哦X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。上一页下一页返 回第三页，讲稿共二十七页哦l当沿电轴方向加作用力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时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷 xxFdQ11d11压电系数（C/N）yyxFbadFbadQ1112作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面上一页下一页返 回1112dd此时，第四页，讲稿共二十七页哦图（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。上一页下一页返 回第五页，讲稿共二十七页哦（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷 上一页下一页返 回第六页，讲稿共二十七页哦一种天然晶体，压电系数一种天然晶体，压电系数d112.311012C/N；莫氏硬度为莫氏硬度为7、熔点为、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有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、工作温度高达频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定、稳定性好。性好。上一页下一页返 回第七页，讲稿共二十七页哦l人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化上一页下一页返 回第八页，讲稿共二十七页哦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合相反而数值相等，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。上一页下一页返 回第九页，讲稿共二十七页哦l压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，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荷，一部分被释放而出现放电现象放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负当压力撤消后，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极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 FdQ33上一页下一页返 回第十页，讲稿共二十七页哦 Q 电荷量；电荷量；d33 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F 作用力。作用力。第十一页，讲稿共二十七页哦（1）钛酸钡（）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷）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。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）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的获得不同性能的PZT材料。材料。（3）铌镁酸铅）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。作，可作为高温下的力传感器。上一页下一页返 回第十二页，讲稿共二十七页哦l1.压电元件的等效电路压电元件的等效电路l2.压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路上一页下一页返 回第十三页，讲稿共二十七页哦hshsCra0aCQU 上一页下一页返 回第十四页，讲稿共二十七页哦(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路(b)等效成一个电源U=Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路 上一页下一页返 回第十五页，讲稿共二十七页哦（a）“并联”，Q=2Q，U=U，C=2C并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方，（b）“串联”Q=Q，U=2U，C=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。上一页下一页返 回第十六页，讲稿共二十七页哦压电式传感器要求负载电阻压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大；把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。上一页下一页返 回第十七页，讲稿共二十七页哦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iaiaRRRRRicaCCCC上一页下一页返 回第十八页，讲稿共二十七页哦前置放大器输入电压 RCjRiUi1压电元件的力 F=Fmsint压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdUi111。2211)()(1icamimCCCRRFdu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。上一页下一页返 回第十九页，讲稿共二十七页哦l如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。l但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。也就越好。上一页下一页返 回第二十页，讲稿共二十七页哦l压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。l电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。电式传感器在某些场合的应用。上一页下一页返 回第二十一页，讲稿共二十七页哦将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。上一页下一页返 回压电式加速度传感器 第二十二页，讲稿共二十七页哦l压电式加速度传感器的压电元件是二片压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器。这样引线非常短，引小型静电放大器。这样引线非常短，引线电容几乎等于零就避免了长电缆对传线电容几乎等于零就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号，这样弥补了石以得到较大的电压信号，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。英晶体灵敏度低的缺陷。第二十三页，讲稿共二十七页哦压电式传感器另一种专用的前置放大器。压电式传感器另一种专用的前置放大器。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，其输入阻抗高达着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012，输，输出阻抗小于出阻抗小于100。使用电荷放大器突出的一个优点使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。传感器的灵敏度与电缆长度无关。上一页下一页返 回第二十四页，讲稿共二十七页哦K是放大器的开环增益，（-K）表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。上一页下一页返 回第二十五页，讲稿共二十七页哦充电电压接近等于放大器的输出电压 fficacfCQCkCCCkQUU)1(0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 线形关系的输出电压。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，就必须选择适当的反馈电容。5、输出电压与电缆电容无关条件：（1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）上一页下一页返 回第二十六页，讲稿共二十七页哦压缩式压电加速度传感器结构上一页下一页返 回第二十七页，讲稿共二十七页哦