电气与电子测量技术——压电式传感器 (2)精.ppt

电气与电子测量技术压电式传感器(2)第1页，本讲稿共26页压电式传感器压电式传感器压电效应压电效应压电材料压电材料压电传感器压电传感器等效电路等效电路压电传感器压电传感器调理电路调理电路压电式传感器的应用压电式传感器的应用2第2页，本讲稿共26页压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是一种有源的机电传感器。压电式传感器是一种有源的机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。3第3页，本讲稿共26页压电效应压电效应 某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为的大小成正比。上述现象称为正压电效应正压电效应。反之，如对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随反之，如对晶体施加一定电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为着消失，称为逆压电效应逆压电效应。4第4页，本讲稿共26页压电材料压电材料 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面：几个方面：转换性能：转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；机械性能：机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；电性能：电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；温度和湿度稳定性要好：温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得到宽的工作具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围；温度范围；时间稳定性：时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。压电特性不随时间蜕变。5第5页，本讲稿共26页压电材料压电材料常用压电材料可以分为三类：常用压电材料可以分为三类：压电晶体压电晶体（石英晶体（石英晶体SiO2）压电陶瓷压电陶瓷（钛酸钡（钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)、铌镁酸铅、铌镁酸铅（Pb MgNbO3）高分子压电材料高分子压电材料（如聚二氟乙烯（如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯和聚氯乙烯(PVC)6第6页，本讲稿共26页n 石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiOSiO2 2，是单晶体结构正六面体。，是单晶体结构正六面体。n与与晶晶体体的的纵纵轴轴线线方方向向一一致致的的z z轴轴称称为为光光轴轴；经经过过六六面面体体棱棱线线并并垂垂直直于于光光轴轴的的x x轴轴称称为为电电轴轴，与与x x和和z z轴轴同时垂直的轴同时垂直的轴y y称为机械轴。称为机械轴。n沿沿电电轴轴x x方方向向的的力力作作用用下下产产生生电电荷荷的的压压电电效效应应称称为为“纵纵向向压压电电效效应应”，而而把把沿沿机机械械轴轴y y方方向向的的力力作用下产生电荷的压电效应称为作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。石英晶体石英晶体7第7页，本讲稿共26页石英晶体石英晶体(a)不受力时不受力时 (b)x轴方向受力轴方向受力 (c)y轴方向受力轴方向受力 石英晶体压电模型石英晶体压电模型8第8页，本讲稿共26页石英晶体石英晶体若从晶体上沿若从晶体上沿y方向切下一块如图所示的晶片，当沿电方向切下一块如图所示的晶片，当沿电轴方向施加作用力轴方向施加作用力Fx时，则在与电轴时，则在与电轴x垂直的平面上将产垂直的平面上将产生电荷，其大小为：生电荷，其大小为：d11x方向受力的压电系数。方向受力的压电系数。若在同一切片上，沿机械轴若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力Fy，则，则仍在与仍在与x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为，其大小为d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，有轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，有d12=-d11；a、b晶体切片的长度和厚度。晶体切片的长度和厚度。电荷电荷qx和和qy的符号由受压力还是受拉力决定。的符号由受压力还是受拉力决定。9第9页，本讲稿共26页压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的作用压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的作用力时，则在两个极化面上分别出现正负电荷。力时，则在两个极化面上分别出现正负电荷。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：电荷量的大小与外力成如下的正比关系：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n压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。未经过极化处理的陶瓷材料不具有压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。未经过极化处理的陶瓷材料不具有压电效应，极化处理后陶瓷材料压电效应，极化处理后陶瓷材料所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致，所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致，具有具有很高的压电系数。很高的压电系数。10第10页，本讲稿共26页等效电路等效电路n压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷在压电材料上时，传感器就有电荷(或电压或电压)输出输出n压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个此它相当于一个电荷源电荷源。n压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：为：式中式中 s-s-极板面积极板面积 r r-压电材料相对介电常数压电材料相对介电常数 0 0-真空介电常数真空介电常数 -压电元件厚度压电元件厚度11第11页，本讲稿共26页等效电路等效电路n当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件，压电元件的开路电压的开路电压(认为其负载电阻为无穷大认为其负载电阻为无穷大)U为为 n这样，可以把压电元件等效为这样，可以把压电元件等效为一个电压源一个电压源U和一个电容器和一个电容器Ca串联串联的等效电路；的等效电路；同时也等效为同时也等效为一个电荷源一个电荷源Q和一个电容器和一个电容器Ca并联并联的等效电路。同时还需的等效电路。同时还需考虑压电传感器考虑压电传感器自身的泄漏电阻自身的泄漏电阻Ra。(a)电压源模型电压源模型 (b)电荷源模型电荷源模型压电元件的等效电路压电元件的等效电路12第12页，本讲稿共26页等效电路等效电路 当压电传感器接入测量仪器或测量电路后，必须需考虑连接电缆的寄生等当压电传感器接入测量仪器或测量电路后，必须需考虑连接电缆的寄生等效电容效电容Cc，后续测量电路的输入电容，后续测量电路的输入电容Ci以及后续电路以及后续电路(如放大器如放大器)的输入电阻的输入电阻Ri。所以，实际压电传感器在测量系统中的等效电路如图所示。所以，实际压电传感器在测量系统中的等效电路如图所示。13第13页，本讲稿共26页 【问题问题】根据压电元件的工作原理及上节所述等效电路，分根据压电元件的工作原理及上节所述等效电路，分析压电式传感器是否适合静态力的测量？析压电式传感器是否适合静态力的测量？等效电路等效电路 压电传感器的频率响应曲线a）直流或静态被测量 b）低频被测量c）高频被测量 由此可见，压电传感器不能测量直流或静态的物理量，只能测量具有一定频由此可见，压电传感器不能测量直流或静态的物理量，只能测量具有一定频率的物理量，这说明压电传感器的低频响应较差，而高频响应相当好，适用于测率的物理量，这说明压电传感器的低频响应较差，而高频响应相当好，适用于测量高频物理量。量高频物理量。14第14页，本讲稿共26页压电式压力传感器压电式压力传感器调理电路调理电路第15页，本讲稿共26页压电传感器调理电路压电传感器调理电路 压电传感器的特点：压电传感器的特点：内阻抗很高；输出的信号非常微弱内阻抗很高；输出的信号非常微弱对调理电路对调理电路(前置放大器前置放大器)的要求的要求：n前级输入端要防止电荷迅速泄漏，减小测量误差。前级输入端要防止电荷迅速泄漏，减小测量误差。n将压电式传感器的高输出阻抗变换为低阻抗输出，并将微弱的信号进行将压电式传感器的高输出阻抗变换为低阻抗输出，并将微弱的信号进行放大放大 压压电电传传感感器器的的输输出出可可以以是是电电压压信信号号，也也可可以以是是电电荷荷信信号号，因因此此前前置置放放大大器器也也有有两两种种形形式：电压放大器和电荷放大器。式：电压放大器和电荷放大器。16第16页，本讲稿共26页电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大器电路原理及其等效电路图（a）放大器电路放大器电路;（b）等效电路等效电路17第17页，本讲稿共26页电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）高输入阻抗的电压放大器高输入阻抗的电压放大器 具有很高输入阻抗，可以将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变具有很高输入阻抗，可以将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大因此也把这换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。种测量电路称为阻抗变换器。存在的问题：存在的问题：输出电压与电容输出电压与电容C=Ca+Ci+Cc密切相关，虽然密切相关，虽然Ca和和Ci都都很小，但很小，但Cc会随连接电缆的长度与形状而变化，从而会给测量带来会随连接电缆的长度与形状而变化，从而会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。放大器的输出电压与连接传感不稳定因素，影响传感器的灵敏度。放大器的输出电压与连接传感器与前置放大器的电缆长度有关。器与前置放大器的电缆长度有关。18第18页，本讲稿共26页压电传感器调理电路压电传感器调理电路电荷放大器电荷放大器 由于电压放大器使所配接的压电式传感器的灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身由于电压放大器使所配接的压电式传感器的灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换将引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远电容的变化而变化，而且电缆的更换将引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器。距离测量的电荷放大器。n 电荷放大器由一个带有反馈电容电荷放大器由一个带有反馈电容Cf的高增益运算放大器构成的高增益运算放大器构成.19第19页，本讲稿共26页电荷放大器电荷放大器由于传感器的漏电阻由于传感器的漏电阻Ra和放大器的输入电阻和放大器的输入电阻Ri很大，可以看很大，可以看作开路，而运算放大器输入阻抗极高，在其输入端几乎没有分流，作开路，而运算放大器输入阻抗极高，在其输入端几乎没有分流，故可略去故可略去Ra和和Ri并联电阻，等效电路如图所示。并联电阻，等效电路如图所示。电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路20第20页，本讲稿共26页电荷放大器电荷放大器 如果忽略如果忽略Ra、Ri及及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为：的影响，则输入到放大器的电荷量为：式中式中A为开环放大系数为开环放大系数21第21页，本讲稿共26页电荷放大器电荷放大器 所以所以放大器输出电压：放大器输出电压：可见，由于引入电容负反馈，电荷放大器的输出电压可见，由于引入电容负反馈，电荷放大器的输出电压Uo仅取决于输入电荷与仅取决于输入电荷与反馈电容反馈电容Cf，电缆电容，电缆电容Cc等其它因素的影响可以忽略不计，且与电荷等其它因素的影响可以忽略不计，且与电荷Q成正比，成正比，这是电荷放大器的最大特点。这是电荷放大器的最大特点。当当A1，而，而(1+A)Ci+Cc+Ca时，放大器输出电压可以表示为时，放大器输出电压可以表示为22第22页，本讲稿共26页压电传感器调理电路压电传感器调理电路 为了得到必要的测量精度，要求反馈电容为了得到必要的测量精度，要求反馈电容Cf的温度和时间稳定性的温度和时间稳定性都很好。在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，都很好。在实际电路中，考虑到不同的量程等因素，Cf的容量做成的容量做成可选择的，范围一般为可选择的，范围一般为102pF104pF。Cf越小，放大器灵敏度越越小，放大器灵敏度越高。高。电荷放大器的灵敏度为：电荷放大器的灵敏度为：23第23页，本讲稿共26页压电式压力传感器压电式压力传感器压电式测压力传感器压电式测压力传感器压电式测压力传感器压电式测压力传感器引线引线壳体壳体基座基座压电晶片压电晶片受压膜片受压膜片导电片导电片p p24第24页，本讲稿共26页下下图图是是一一种种压压电电式式加加速速度度传传感感器器的的结结构构图图。它它主主要要由由压压电电元元件件、质质量量块块、预预压压弹弹簧簧、基基座座及及外外壳壳等等组组成成。整整个个部部件件装装在在外外壳壳内内，并由螺栓加以固定。并由螺栓加以固定。压电式加速度传感器压电式加速度传感器25第25页，本讲稿共26页小结小结n压电效应和压电材料压电效应和压电材料 石英晶体和压电陶瓷石英晶体和压电陶瓷n压电传感器等效电路压电传感器等效电路n调理电路调理电路 高输入阻抗电压放大器高输入阻抗电压放大器 电荷放大器（输出取决于输入电荷与反馈电容，与连电荷放大器（输出取决于输入电荷与反馈电容，与连接电缆电容无关）接电缆电容无关）26第26页，本讲稿共26页