传感器与检测技术 第六章 压电传感器PPT讲稿.ppt

传感器与检测技术 第六章 压电传感器第1页，共41页，编辑于2022年，星期四第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第一节第一节 压电效应压电效应第二节第二节 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应第三节第三节 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应第四节第四节 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式第五节第五节 等效电路与测量电路等效电路与测量电路第六节第六节 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例第七节第七节 压电式传感器的误差压电式传感器的误差第2页，共41页，编辑于2022年，星期四第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，此现象称为重新回到不带电状态，此现象称为重新回到不带电状态，此现象称为重新回到不带电状态，此现象称为压电效应压电效应压电效应压电效应。这种这种这种这种机械能转变为电能机械能转变为电能机械能转变为电能机械能转变为电能的现象，称为的现象，称为的现象，称为的现象，称为“顺压电效应顺压电效应顺压电效应顺压电效应”。反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种将形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种将形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种将形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种将电能转电能转电能转电能转变为机械能变为机械能变为机械能变为机械能的现象，称为的现象，称为的现象，称为的现象，称为“逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应”。也称为也称为也称为也称为“电致伸缩效应电致伸缩效应电致伸缩效应电致伸缩效应”一、一、压电效应压电效应压电效应压电效应第3页，共41页，编辑于2022年，星期四压电常数和表面电荷密度的计算压电常数和表面电荷密度的计算q q为压电元件表面的电荷密度（极化强度），单位：为压电元件表面的电荷密度（极化强度），单位：为压电元件表面的电荷密度（极化强度），单位：为压电元件表面的电荷密度（极化强度），单位：C/cmC/cm2 2；Q Q为电荷量，为电荷量，为电荷量，为电荷量，S S为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。d d为压电常数，即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量，为压电常数，即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量，为压电常数，即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量，为压电常数，即晶体承受单位作用力时所产生的电荷量，单位：单位：单位：单位：C/NC/N；当受力方向和变形不同时，；当受力方向和变形不同时，；当受力方向和变形不同时，；当受力方向和变形不同时，d d也不同。也不同。也不同。也不同。i i=1=1、2 2、33为电荷平面法线方向，即为电荷平面法线方向，即为电荷平面法线方向，即为电荷平面法线方向，即x x、y y、z z轴向；轴向；轴向；轴向；j j=1=1、2 2、3 3、4 4、5 5、66表示作用力的方向；表示作用力的方向；表示作用力的方向；表示作用力的方向；为作用面上的应力，单位：为作用面上的应力，单位：为作用面上的应力，单位：为作用面上的应力，单位：N/cmN/cmN/cmN/cm2 2 2 2；F F F F为作用力；为作用力；为作用力；为作用力；S S S S为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。为受作用力的表面的面积。第4页，共41页，编辑于2022年，星期四二、压电元件的坐标系表示法二、压电元件的坐标系表示法第5页，共41页，编辑于2022年，星期四各平面的电荷密度：各平面的电荷密度：第6页，共41页，编辑于2022年，星期四压电系数矩阵：压电系数矩阵：石英晶体的压电系数石英晶体的压电系数 矩阵：矩阵：第7页，共41页，编辑于2022年，星期四其它压电常数：其它压电常数：3.机电耦合系数机电耦合系数K1.压电常数压电常数g2.压电常数压电常数h第8页，共41页，编辑于2022年，星期四三、石英晶体的压电效应三、石英晶体的压电效应1.1.石英晶体石英晶体第9页，共41页，编辑于2022年，星期四2.压电效应压电效应（1 1）纵向压电效应）纵向压电效应）纵向压电效应）纵向压电效应 在电轴方向施加作用力时，在与电轴垂直在电轴方向施加作用力时，在与电轴垂直在电轴方向施加作用力时，在与电轴垂直在电轴方向施加作用力时，在与电轴垂直的平面上将产生电荷的平面上将产生电荷的平面上将产生电荷的平面上将产生电荷。电荷密度电荷密度：第10页，共41页，编辑于2022年，星期四（2）横向压电效应横向压电效应在机械（在机械（在机械（在机械（Y Y）轴向力作用下，引起的压电效应。）轴向力作用下，引起的压电效应。）轴向力作用下，引起的压电效应。）轴向力作用下，引起的压电效应。因为电荷密度（极化强度）因为电荷密度（极化强度）因为电荷密度（极化强度）因为电荷密度（极化强度）所以所以所以所以第11页，共41页，编辑于2022年，星期四4 4D DA AB BC C（a a）硅原子带有）硅原子带有4个正电荷，氧原子带有个正电荷，氧原子带有2个负电个负电荷，正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带荷，正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。电现象。图图图图6-3 6-3 石英晶体压电效应石英晶体压电效应石英晶体压电效应石英晶体压电效应 3 35 52 26 61 14 41 12 23 35 54 46 61 12 26 63 35 5A AB B第12页，共41页，编辑于2022年，星期四3.特点：特点：石英晶体是一种天然晶体，它的压电系数为石英晶体是一种天然晶体，它的压电系数为d d1111=2.3110=2.3110-12-12 C/N C/N。莫氏硬度为。莫氏硬度为7 7，熔点为，熔点为17501750，膨胀系数仅为钢的，膨胀系数仅为钢的1/1301/130。作为常用的压电传感器具有转换效率和转换作为常用的压电传感器具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、精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达动态特性好、工作温度高达550550（压电系数不（压电系数不随温度而该改变）、工作湿度高达随温度而该改变）、工作湿度高达100%100%等优点，等优点，它的稳定性是其他压电材料无法比拟的。它的稳定性是其他压电材料无法比拟的。第13页，共41页，编辑于2022年，星期四四、压电陶瓷的压电效应四、压电陶瓷的压电效应1.压电陶瓷的极化特性压电陶瓷的极化特性第14页，共41页，编辑于2022年，星期四2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应第15页，共41页，编辑于2022年，星期四3.压电陶瓷的特点压电陶瓷的特点 压电系数大，灵敏度高，成本低。压电系数大，灵敏度高，成本低。缺点：居里点低，温度稳定性、机械强度缺点：居里点低，温度稳定性、机械强度不如石英晶体。不如石英晶体。第16页，共41页，编辑于2022年，星期四压压压压电电电电系系系系数数数数d d：表表表表示示示示压压压压电电电电材材材材料料料料产产产产生生生生电电电电荷荷荷荷与与与与作作作作用用用用力力力力的的的的关关关关系系系系。一一一一般般般般为为为为单单单单位位位位作作作作用力下产生电荷的多少（单位：用力下产生电荷的多少（单位：用力下产生电荷的多少（单位：用力下产生电荷的多少（单位：C/NC/N）。）。）。）。刚度刚度刚度刚度HH：是压电材料的固有频率的重要参数。是压电材料的固有频率的重要参数。是压电材料的固有频率的重要参数。是压电材料的固有频率的重要参数。介介介介电电电电常常常常数数数数 ：是是是是决决决决定定定定压压压压电电电电晶晶晶晶体体体体固固固固有有有有电电电电容容容容的的的的主主主主要要要要参参参参数数数数，固固固固有有有有电电电电容容容容将影响传感器工作频率的下限值。将影响传感器工作频率的下限值。将影响传感器工作频率的下限值。将影响传感器工作频率的下限值。电阻电阻电阻电阻R R：是压电晶体的内阻，其大小决定泄漏电流。是压电晶体的内阻，其大小决定泄漏电流。是压电晶体的内阻，其大小决定泄漏电流。是压电晶体的内阻，其大小决定泄漏电流。居里点：居里点：居里点：居里点：即压电效应消失的温度转变点。即压电效应消失的温度转变点。即压电效应消失的温度转变点。即压电效应消失的温度转变点。五、压电材料的主要特性指标五、压电材料的主要特性指标 第17页，共41页，编辑于2022年，星期四常用压电材料的性能参数：常用压电材料的性能参数：第18页，共41页，编辑于2022年，星期四第二节第二节 等效电路与测量电路等效电路与测量电路 一、等效电路一、等效电路一、等效电路一、等效电路 两极板间的电压为两极板间的电压为 只有在外电路负载只有在外电路负载只有在外电路负载只有在外电路负载R RL L无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压压压压U U才能长期保存下来，如果负载才能长期保存下来，如果负载才能长期保存下来，如果负载才能长期保存下来，如果负载R RL L不是无穷大，则电路就要以不是无穷大，则电路就要以不是无穷大，则电路就要以不是无穷大，则电路就要以时间常数时间常数时间常数时间常数R RL LCaCa按指数规律放电。按指数规律放电。按指数规律放电。按指数规律放电。第19页，共41页，编辑于2022年，星期四当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路。在开路状态，其输出端电荷为电路。在开路状态，其输出端电荷为：当需要压电元件输出电压时，可以把压电元件当需要压电元件输出电压时，可以把压电元件等效为一个电压源与一个电容相串联的电压等等效为一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路。在开路状态，其输出端电压为：效电路。在开路状态，其输出端电压为：第20页，共41页，编辑于2022年，星期四第二节第二节 等效电路与测量电路等效电路与测量电路1、压电传感器等效电路、压电传感器等效电路第21页，共41页，编辑于2022年，星期四2 2、压电式传感器测试系统等效电路、压电式传感器测试系统等效电路、压电式传感器测试系统等效电路、压电式传感器测试系统等效电路压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通过电压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通过电压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通过电压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通过电缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须考虑前置缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须考虑前置缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须考虑前置缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须考虑前置放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器的泄漏放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器的泄漏放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器的泄漏放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器的泄漏电阻（绝缘电阻）。电阻（绝缘电阻）。电阻（绝缘电阻）。电阻（绝缘电阻）。第22页，共41页，编辑于2022年，星期四二、压电元件的联结方式二、压电元件的联结方式 在压电传感器中，压电材料一般不用一片，而常常在压电传感器中，压电材料一般不用一片，而常常在压电传感器中，压电材料一般不用一片，而常常在压电传感器中，压电材料一般不用一片，而常常采用两片（或是两片以上）黏结在一起。由于压电采用两片（或是两片以上）黏结在一起。由于压电采用两片（或是两片以上）黏结在一起。由于压电采用两片（或是两片以上）黏结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。1.1.串联串联串联串联 2.2.并联并联并联并联 第23页，共41页，编辑于2022年，星期四1.1.1.1.串联：此时两压电片电荷极性为正、负串联输出。串联：此时两压电片电荷极性为正、负串联输出。串联：此时两压电片电荷极性为正、负串联输出。串联：此时两压电片电荷极性为正、负串联输出。其输出电容为单片电容的一半，输出总电荷等于单片其输出电容为单片电容的一半，输出总电荷等于单片其输出电容为单片电容的一半，输出总电荷等于单片其输出电容为单片电容的一半，输出总电荷等于单片电荷，但输出电压为单片电压电荷，但输出电压为单片电压电荷，但输出电压为单片电压电荷，但输出电压为单片电压U U的的的的2 2倍。倍。倍。倍。第24页，共41页，编辑于2022年，星期四2.2.2.2.并联：此时两压电片电荷同极性端并联。其输出电容并联：此时两压电片电荷同极性端并联。其输出电容并联：此时两压电片电荷同极性端并联。其输出电容并联：此时两压电片电荷同极性端并联。其输出电容为单片电容的为单片电容的为单片电容的为单片电容的2 2倍，但输出电压等于单片电压倍，但输出电压等于单片电压倍，但输出电压等于单片电压倍，但输出电压等于单片电压U U，极，极，极，极板上电荷量为单片电荷量的板上电荷量为单片电荷量的板上电荷量为单片电荷量的板上电荷量为单片电荷量的2 2倍。倍。倍。倍。第25页，共41页，编辑于2022年，星期四三、测量电路三、测量电路 通常将压电传感器的输出信号输入到测量电路的高输入阻抗通常将压电传感器的输出信号输入到测量电路的高输入阻抗通常将压电传感器的输出信号输入到测量电路的高输入阻抗通常将压电传感器的输出信号输入到测量电路的高输入阻抗的前置放大器中来变成低阻抗输出信号，然后再送到测量电路的前置放大器中来变成低阻抗输出信号，然后再送到测量电路的前置放大器中来变成低阻抗输出信号，然后再送到测量电路的前置放大器中来变成低阻抗输出信号，然后再送到测量电路的放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，压电传的放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，压电传的放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，压电传的放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，压电传感器的测量电路中的关键部分在前置放大器。感器的测量电路中的关键部分在前置放大器。感器的测量电路中的关键部分在前置放大器。感器的测量电路中的关键部分在前置放大器。前置放大器的两个作用：前置放大器的两个作用：1.1.1.1.是放大，把压电传感器的微弱信号放大；是放大，把压电传感器的微弱信号放大；是放大，把压电传感器的微弱信号放大；是放大，把压电传感器的微弱信号放大；2.2.2.2.是阻抗变换，那传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输是阻抗变换，那传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输是阻抗变换，那传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输是阻抗变换，那传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。出。出。出。第26页，共41页，编辑于2022年，星期四前置放大器有两种形式，一种是电压放前置放大器有两种形式，一种是电压放大器；另一种是电荷放大器。大器；另一种是电荷放大器。1.1.电压放大器电压放大器要求：要求：（1 1）很高的输入阻抗（）很高的输入阻抗（10101111M M，这样这样才才能减小由于漏能减小由于漏电电造成的造成的电压电压、电电荷的荷的损损失，不致引起失，不致引起过过大的大的测测量量误误差差）；）；（2 2）很低的输出阻抗（小于）很低的输出阻抗（小于100100，带负带负载载能力能力强强）；）；（3 3）AuAu0 0很大。很大。第27页，共41页，编辑于2022年，星期四三、测量电路三、测量电路1.1.电压放大器（阻抗放大器电压放大器（阻抗放大器电压放大器（阻抗放大器电压放大器（阻抗放大器）R和和C分别表示前置放大分别表示前置放大器的等效输入端电阻和等器的等效输入端电阻和等效输入端电容效输入端电容 式中式中式中式中R Ra a代表测量电路的漏电阻，代表测量电路的漏电阻，代表测量电路的漏电阻，代表测量电路的漏电阻，R Ri i代表放大器输入端电阻；代表放大器输入端电阻；代表放大器输入端电阻；代表放大器输入端电阻；式中式中式中式中C CC C代表测量电路联线分布电容（电缆电容），代表测量电路联线分布电容（电缆电容），代表测量电路联线分布电容（电缆电容），代表测量电路联线分布电容（电缆电容），C Ci i代代代代表放大器入端电容。表放大器入端电容。表放大器入端电容。表放大器入端电容。第28页，共41页，编辑于2022年，星期四则等效电压源的端电压为则等效电压源的端电压为则等效电压源的端电压为则等效电压源的端电压为假设给石英晶体压电元件沿着电轴作用的轴向力为假设给石英晶体压电元件沿着电轴作用的轴向力为假设给石英晶体压电元件沿着电轴作用的轴向力为假设给石英晶体压电元件沿着电轴作用的轴向力为F=F=F=F=F F F Fm m m msintsintsintsint，其压电系数为，其压电系数为，其压电系数为，其压电系数为d d d d11111111，即压电效应为，即压电效应为，即压电效应为，即压电效应为 Q Q Q Qa a a a=d d d d11111111 F=F=F=F=d d d d11111111F F F Fm m m msintsintsintsint第29页，共41页，编辑于2022年，星期四 与作用力与作用力与作用力与作用力 之间的相位差为之间的相位差为之间的相位差为之间的相位差为 当作用在压电元件上的力是静态力，即当作用在压电元件上的力是静态力，即 时，前置放大器的输入电压等于零，这从原时，前置放大器的输入电压等于零，这从原理上决定了压电传感器不能用于静态测量。理上决定了压电传感器不能用于静态测量。的幅值为的幅值为 第30页，共41页，编辑于2022年，星期四令测量回路时间常数为令测量回路时间常数为 一般一般3，上式即可成立，此时说明电，上式即可成立，此时说明电压输出型测量电路中的压输出型测量电路中的Ui与作用力与作用力f的变化频的变化频率率无关，即这种测量电路具有很好高频响无关，即这种测量电路具有很好高频响应特性，这是其主要优点。此时传感器电压应特性，这是其主要优点。此时传感器电压灵敏度为灵敏度为 当当1 时时第31页，共41页，编辑于2022年，星期四内部装有超小型阻抗变换器的压电式加内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器速度传感器 将一种电压放大器（阻将一种电压放大器（阻将一种电压放大器（阻将一种电压放大器（阻抗变换器）直接装进传抗变换器）直接装进传抗变换器）直接装进传抗变换器）直接装进传感器内部，使其一体化。感器内部，使其一体化。感器内部，使其一体化。感器内部，使其一体化。由于该阻抗变换器充分由于该阻抗变换器充分由于该阻抗变换器充分由于该阻抗变换器充分靠近压电元件，引线非靠近压电元件，引线非靠近压电元件，引线非靠近压电元件，引线非常短，引线电容几乎为常短，引线电容几乎为常短，引线电容几乎为常短，引线电容几乎为0 0 0 0，这就避免了长电缆，这就避免了长电缆，这就避免了长电缆，这就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。对传感器灵敏度的影响。对传感器灵敏度的影响。对传感器灵敏度的影响。第32页，共41页，编辑于2022年，星期四第33页，共41页，编辑于2022年，星期四2.电荷放大器电荷放大器当开环增益当开环增益当开环增益当开环增益A A和输入电阻和输入电阻和输入电阻和输入电阻R Ri i、反馈电阻、反馈电阻、反馈电阻、反馈电阻R Rf f相当相当相当相当大并视为开路时，放大器的输出电压正比于输大并视为开路时，放大器的输出电压正比于输大并视为开路时，放大器的输出电压正比于输大并视为开路时，放大器的输出电压正比于输入电荷入电荷入电荷入电荷QQ。第34页，共41页，编辑于2022年，星期四由于由于由于由于 所以所以一般一般一般一般A A都很大，则都很大，则都很大，则都很大，则C Cf f（1+A1+A）（C Ca a+Cc+C+Cc+Cf f）于是于是于是于是采用可变电容采用可变电容采用可变电容采用可变电容C Cf f ，选择范围在，选择范围在，选择范围在，选择范围在10010000pF10010000pF 为了提高放大器的稳定性，一般在反馈电容的两端并联一为了提高放大器的稳定性，一般在反馈电容的两端并联一为了提高放大器的稳定性，一般在反馈电容的两端并联一为了提高放大器的稳定性，一般在反馈电容的两端并联一个大电阻个大电阻个大电阻个大电阻R R R Rf f f f（约（约（约（约10101010101010101010101014141414），以提供直流反馈。），以提供直流反馈。），以提供直流反馈。），以提供直流反馈。第35页，共41页，编辑于2022年，星期四电荷放大器突出的优点是：电荷放大器突出的优点是：在一定条件在一定条件C Cf f（1+A1+A）（C Ca a+Cc+C+Cc+Cf f）下，）下，传感器的输出电压、灵敏度与电缆长度传感器的输出电压、灵敏度与电缆长度无关。无关。第36页，共41页，编辑于2022年，星期四第三节第三节 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例1.压电式加速度传感器压电式加速度传感器第37页，共41页，编辑于2022年，星期四2.2.压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器第38页，共41页，编辑于2022年，星期四思考题：思考题：.压压电电元元件件传传感感器器为为什什么么不不能能测测量量静静态态量量，只能测动态量？只能测动态量？.压压电电元元件件传传感感器器的的负负载载为为什什么么是是无无穷穷大大？.前置电压放大器的作用是什么？前置电压放大器的作用是什么？.电电荷荷输输出出型型测测量量电电路路的的主主要要优优点点有有哪哪些些？第39页，共41页，编辑于2022年，星期四再见！再见！武汉理工大学自动化学院武汉理工大学自动化学院第40页，共41页，编辑于2022年，星期四 妈妈新开了个淘宝店，欢迎前来捧场妈妈新开了个淘宝店，欢迎前来捧场妈妈的淘宝点开了快半年了，主要卖的是毛绒玩具、坐垫、抱枕之类的，但妈妈的淘宝点开了快半年了，主要卖的是毛绒玩具、坐垫、抱枕之类的，但生意一直不是很好，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，但是就是没有人气，生意一直不是很好，感觉妈妈还是很用心的，花了不少功夫，但是就是没有人气，所以我也来出自己的一份力，帮忙宣传一下。所以我也来出自己的一份力，帮忙宣传一下。并且妈妈总是去五亭龙挑最好的玩具整理、发货，质量绝对有保证。并且妈妈总是去五亭龙挑最好的玩具整理、发货，质量绝对有保证。另外我家就在扬州五亭龙玩具城旁边，货源丰富，质量可靠，价格便宜。另外我家就在扬州五亭龙玩具城旁边，货源丰富，质量可靠，价格便宜。欢迎大家来逛逛欢迎大家来逛逛【扬州五亭龙玩具总动员扬州五亭龙玩具总动员】个人小广告：个人小广告：第41页，共41页，编辑于2022年，星期四