第五章压电式传感器精选文档.ppt

第五章压电式传感器2022/10/18本讲稿第一页，共四十九页5.2 压电式传感器的测量转换电路压电式传感器的测量转换电路25.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理15.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用3本讲稿第二页，共四十九页知识目标：知识目标：（1）了解不同压电材料的结构和特点。）了解不同压电材料的结构和特点。（2）掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电路。）掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电路。（3）熟悉压电式传感器在工程上的应用。）熟悉压电式传感器在工程上的应用。教学目标教学目标技能目标：技能目标：（1）能够根据检测要求选择合适的压电式传感器。）能够根据检测要求选择合适的压电式传感器。（2）能够运用压电式传感器完成一些简单的项目。）能够运用压电式传感器完成一些简单的项目。本讲稿第三页，共四十九页情感目标：情感目标：（1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工作作风。（2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力。教学重难点教学重难点教学重点：教学重点：压电式传感器的工作原理和应用。压电式传感器的工作原理和应用。教学难点：教学难点：压电式传感器的测量电路。压电式传感器的测量电路。本讲稿第四页，共四十九页5.1 压电式式传感器的工作原理感器的工作原理 压电式传感器压电式传感器是一种自发电传感器。以某些电是一种自发电传感器。以某些电介质的压电效应为基础，压电材料受力后表面产生介质的压电效应为基础，压电材料受力后表面产生电荷，从而实现非电量向电量的转换。电荷，从而实现非电量向电量的转换。压电式传感器具有工作频带宽、灵敏度高、压电式传感器具有工作频带宽、灵敏度高、结构简单、体积小、质量轻、工作可靠等特点。结构简单、体积小、质量轻、工作可靠等特点。本讲稿第五页，共四十九页5.1.1 压电效效应压电效应具有可逆性，它分为压电效应具有可逆性，它分为正压电效应正压电效应和和逆压电效应逆压电效应。正压电效应正压电效应 是指某些电介质，当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时，是指某些电介质，当沿着一定方向对其施加压力而使其变形时，它的内部就会产生极化的现象，同时在它的两个表面上会产生极性它的内部就会产生极化的现象，同时在它的两个表面上会产生极性相反的电荷，当施加的压力去掉后，它又重新恢复不带电的状态；相反的电荷，当施加的压力去掉后，它又重新恢复不带电的状态；当压力的作用方向改变时，它内部的极性也随着改变。（顺压电效当压力的作用方向改变时，它内部的极性也随着改变。（顺压电效应）应）逆压电效应逆压电效应 是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就会在一定方向上是指当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就会在一定方向上产生机械变形或机械压力，当施加的电场撤去时，这些机械变形或机械产生机械变形或机械压力，当施加的电场撤去时，这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。压力也随之消失的现象。本讲稿第六页，共四十九页由于外力的作用，在压电元件上产生的电荷只由于外力的作用，在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际上是不可能的，所以压电式传感器不能用于静上是不可能的，所以压电式传感器不能用于静态力的测量。压电元件在交变力的作用下，电态力的测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量转换电路一定荷可以不断补充，可以供给测量转换电路一定的电流，因此，压电式传感器只适用于的电流，因此，压电式传感器只适用于动态测动态测量量。本讲稿第七页，共四十九页 在晶体的弹性限度内，在在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力轴方向上施加压力Fx时，在时，在x面上产生的电荷为面上产生的电荷为 Q=d11 Fx （5-1）式中，式中，d11为为x轴方向受力的压电系数（轴方向受力的压电系数（C/N）；）；Fx为为x轴方向的作用力（轴方向的作用力（N）。）。本讲稿第八页，共四十九页5.1.2 压电材料材料压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压压电电材材料料压电晶体压电晶体压电陶瓷压电陶瓷高分子压电材料高分子压电材料本讲稿第九页，共四十九页1.1.石英晶体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本讲稿第十页，共四十九页天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）本讲稿第十一页，共四十九页石英晶体的压电机理分析石英晶体的压电机理分析（a a）晶体外形）晶体外形 （b b）晶块）晶块图图5-2 5-2 石英晶体石英晶体石英的晶体结构为六方晶体系，化石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为学式为SiO2。定义：定义：x：两平行柱面内平行柱面内夹角等分角等分线，垂直此，垂直此轴压电效效应最最强。称。称为电轴。y y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。最大，称为机械轴。z：无：无压电效效应，中心，中心轴，也称光，也称光轴。本讲稿第十二页，共四十九页（a a）不受外力）不受外力 (b)(b)x x轴方向受力轴方向受力 （c c）y y轴方向受力轴方向受力图图5-3 5-3 石英晶体的压电效应示意图石英晶体的压电效应示意图当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图角上，也就是说正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图5-3（a）；当石英晶体在）；当石英晶体在x轴方向受力时，晶体的极面轴方向受力时，晶体的极面A上呈现负电荷，上呈现负电荷，晶体的极面晶体的极面B上呈现正电荷，见图上呈现正电荷，见图5-3(b)；当石英晶体在；当石英晶体在y轴方向受力时，晶轴方向受力时，晶体的极面体的极面A上呈现正电荷，晶体的极面上呈现正电荷，晶体的极面B上呈现负电荷，见图上呈现负电荷，见图5-3（c）。）。本讲稿第十三页，共四十九页石英晶体在石英晶体在20200 内压电系数内压电系数的变化率小，因而其性能非常稳定，的变化率小，因而其性能非常稳定，不足之处在于压电系数较小不足之处在于压电系数较小（d=2.311012 C/N）。因此，）。因此，石英晶体一般只在标准传感器、高精石英晶体一般只在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中度传感器或使用温度较高的传感器中使用。使用。本讲稿第十四页，共四十九页石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面双面镀银并封装并封装本讲稿第十五页，共四十九页 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，是一种能够将压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，是一种能够将机械能转换为电能的陶瓷材料。它比石英晶体的压电灵机械能转换为电能的陶瓷材料。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的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶）及非铅系压电陶瓷瓷（如（如BaTiO3等）。等）。压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，由无数细压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，由无数细微的单晶组成。每个单晶粒形成一个自发极化方向一微的单晶组成。每个单晶粒形成一个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴是致的小区域即电畴。刚烧结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列，极化方向杂乱无章，其总极化强度为无规则排列，极化方向杂乱无章，其总极化强度为0，此时受力则无压电效应。此时受力则无压电效应。2.2.压电陶瓷压电陶瓷本讲稿第十六页，共四十九页若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度下若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下，使对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下，使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发的极化方向与其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发的极化方向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良好的压电特性。电特性。（a a）未极化的陶瓷）未极化的陶瓷 (b)(b)正在极化的陶瓷正在极化的陶瓷 （c c）极化后的陶瓷）极化后的陶瓷图图5-4 5-4 压电陶瓷的极化过程压电陶瓷的极化过程本讲稿第十七页，共四十九页压电晶体与压电陶瓷的比较：压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：相同点：都是具有压电效应的压电材料。都是具有压电效应的压电材料。不同点：不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。不如石英好，居里点也低。本讲稿第十八页，共四十九页1）锆钛酸酸铅系列系列压电陶瓷陶瓷 锆钛酸铅系列压电陶瓷锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT有较高的压电系数（有较高的压电系数（d（200500）1012 C/N）和居里点（）和居里点（500 左右），是目前常采用的一种压电材料。左右），是目前常采用的一种压电材料。2）非）非铅系列系列压电陶瓷陶瓷 非铅系列压电陶瓷可减少铅对环境的污染。它们的各项性能均已超过含铅非铅系列压电陶瓷可减少铅对环境的污染。它们的各项性能均已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。本讲稿第十九页，共四十九页压电陶瓷外形压电陶瓷外形 本讲稿第二十页，共四十九页3.3.高分子压电材料高分子压电材料 高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙）、改性聚氯乙烯（烯（PVC）等。其中以）等。其中以PVF2的压电系数最高。的压电系数最高。高分子压电材料具有以下特点：高分子压电材料具有以下特点：（1）高分子压电材料是柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或）高分子压电材料是柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或 电缆套管等形状，经过极化处理后就会出现压电效应。电缆套管等形状，经过极化处理后就会出现压电效应。（2）高分子压电材料不易破碎，且具有防水性，可以大量连续的）高分子压电材料不易破碎，且具有防水性，可以大量连续的 拉伸，制成较大面积或较长尺度的形状，因此，价格便宜。拉伸，制成较大面积或较长尺度的形状，因此，价格便宜。（3）高分子压电材料的声阻抗约为）高分子压电材料的声阻抗约为0.02 Pas/m3，与空气的声阻，与空气的声阻 抗有较好的匹配，可以制成特大口径的壁挂式低音扬声器。抗有较好的匹配，可以制成特大口径的壁挂式低音扬声器。（4）高分子压电材料的工作温度一般低于）高分子压电材料的工作温度一般低于100，当温度升高时，当温度升高时，其灵敏度降低。其灵敏度降低。（5）高分子压电材料的机械强度不高，抗紫外线能力较差，不适）高分子压电材料的机械强度不高，抗紫外线能力较差，不适 合暴晒，容易老化。合暴晒，容易老化。本讲稿第二十一页，共四十九页高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 本讲稿第二十二页，共四十九页可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 本讲稿第二十三页，共四十九页压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 本讲稿第二十四页，共四十九页高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）（逆压电效应）本讲稿第二十五页，共四十九页5.2 压电式式传感器的感器的测量量转换电路路5.2.1 压电元件的等效元件的等效电路路由由压压电电元元件件的的工工作作原原理理可可知知,压压电电式式传传感感器器可可以以看看作作一一个个电电荷荷发发生生器器。同同时时,当压电元件表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为介质的电容器，则其电容量为当压电元件表面聚集电荷时，相当于一个以压电材料为介质的电容器，则其电容量为(5-2)式中式中:A压电片的面片的面积;d 压电片的厚度片的厚度;r压电材料的相材料的相对介介电常数。常数。压电元件的开路电压压电元件的开路电压的表达式为的表达式为本讲稿第二十六页，共四十九页压电式传感器可以等效为一个电荷源，如图压电式传感器可以等效为一个电荷源，如图5-6(a)所示。它也可等效为一个电压所示。它也可等效为一个电压源，如图源，如图5-6(b)所示。所示。（a a）电荷放大器）电荷放大器 (b)(b)电压放大器电压放大器图图5-6 5-6 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路本讲稿第二十七页，共四十九页（a a）串联）串联 (b)(b)并联并联图图5-7 5-7 压电元件的连接方式压电元件的连接方式（a）“串联串联”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。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。（b）“并联并联”，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。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。本讲稿第二十八页，共四十九页压压电电传传感感器器本本身身的的内内阻阻抗抗很很高高,而而输输出出能能量量较较小小,因因此此它它的的测测量量电电路路通通常常需需要要接接入入一一个个高高输输入入阻阻抗抗的的前前置置放放大大器器，其其作作用用为为:一一是是把把它它的的高高输输出出阻阻抗抗变变换换为为低低输输出出阻阻抗抗;二二是是放放大大传传感感器器输输出出的的微微弱弱信信号号。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式:电电压放大器和电荷放大器。压放大器和电荷放大器。本讲稿第二十九页，共四十九页图图5-8 5-8 电荷放大器的等效电路电荷放大器的等效电路5.2.3 电荷放大器荷放大器本讲稿第三十页，共四十九页由于电荷放大器中的反馈电容由于电荷放大器中的反馈电容Cf在输入端的等效电容满足在输入端的等效电容满足Cf（A+1）（Ca+Cc+Ci），因而可以忽略电缆电容），因而可以忽略电缆电容Cc和前置放大器的输入电容和前置放大器的输入电容Ci的影响。的影响。因此，电荷放大器输出电压的表达式为因此，电荷放大器输出电压的表达式为（5-6）本讲稿第三十一页，共四十九页由式（由式（5-6）可以得出以下几点结论：）可以得出以下几点结论：（1）电荷放大器的输出电压只与输入电荷量）电荷放大器的输出电压只与输入电荷量Q和反馈电容和反馈电容Cf有有 关，而与放大器的放大系数关，而与放大器的放大系数A、电缆电容、电缆电容Cc和前置放大器和前置放大器 的输入电容的输入电容Ci等的变化均无关。等的变化均无关。（2）只要保持反馈电容）只要保持反馈电容Cf的数值不变，就可得到与输入电荷量的数值不变，就可得到与输入电荷量 Q变化成线性关系的输出电压变化成线性关系的输出电压。（3）压电式传感器产生的电荷量）压电式传感器产生的电荷量Q一定时，反馈电容一定时，反馈电容Cf越小，越小，输出电压输出电压 就越大。就越大。（4）要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈）要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈 电容电容Cf。（5）输出电压）输出电压 与电缆电容与电缆电容Cc无关条件是无关条件是 Cf（A+1）（Ca+Cc+Ci）。）。本讲稿第三十二页，共四十九页电荷放大器外形电荷放大器外形本讲稿第三十三页，共四十九页5.2.4 电压放大器放大器 （a a）（b b）图图5-9 5-9 电压放大器的等效电路及其简化电路电压放大器的等效电路及其简化电路本讲稿第三十四页，共四十九页5.3 压电式式传感器的感器的应用用5.3.1压电式加速度式加速度传感器感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触又称拾振器，它有接触式和非接触式之分。接触式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式中有磁电式、电感式、压电式等；非接触式中又有电涡流式、电容式、霍尔式、光电式等。式、霍尔式、光电式等。本讲稿第三十五页，共四十九页压电式振动加速度传感器的结构及外形压电式振动加速度传感器的结构及外形 横向振横向振动测振器振器纵向振向振动测振器振器本讲稿第三十六页，共四十九页1.1.压缩式压电加速度传感器压缩式压电加速度传感器图图5-11 5-11 压缩式压电加速度传感器的结构压缩式压电加速度传感器的结构本讲稿第三十七页，共四十九页2.2.纵向效应式压电加速度传感器纵向效应式压电加速度传感器图图5-12 5-12 纵向效应式压电加速度传感器的结构纵向效应式压电加速度传感器的结构1 1电极；电极；2 2质量块；质量块；3 3螺母；螺母；4 4压电陶瓷；压电陶瓷；5 5基座基座本讲稿第三十八页，共四十九页3.3.剪切式压电加速度传感器剪切式压电加速度传感器图图5-13 5-13 剪切式压电加速度传感器的结构剪切式压电加速度传感器的结构本讲稿第三十九页，共四十九页4.4.弯曲式压电加速度传感器弯曲式压电加速度传感器图图5-14 5-14 弯曲式压电加速度传感器的结构弯曲式压电加速度传感器的结构本讲稿第四十页，共四十九页5.3.2 压电式式测力力传感器感器图图5-15 5-15 压电式三向动态测力仪的结构压电式三向动态测力仪的结构本讲稿第四十一页，共四十九页5.3.3 压电式血式血压传感器感器图图5-16 5-16 压电式血压传感器的结构压电式血压传感器的结构本讲稿第四十二页，共四十九页5.3.4 压电式流量式流量计图图5-17 5-17 压电式流量计的结构压电式流量计的结构本讲稿第四十三页，共四十九页5.3.5 高分子高分子压电材料的材料的应用用粘贴位置粘贴位置1.压电式玻璃破碎式玻璃破碎报警器警器将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，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，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。并将电压信号传送给集中报警系统。本讲稿第四十四页，共四十九页高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块 将厚约将厚约0.2 mm左右的左右的PVDF薄膜裁制成薄膜裁制成10 20 mm大小。在大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧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。并用保上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷表面产生电荷Q，在两个输出引，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脚之间产生窄脉冲报警信号。本讲稿第四十五页，共四十九页 2 2压电式周界报警系统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）（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表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行范围内探测人的步行,对轮式或对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系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统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。出波形。本讲稿第四十六页，共四十九页 将高分子压电电缆埋在公路上，可以进行车速、载荷分布、车型将高分子压电电缆埋在公路上，可以进行车速、载荷分布、车型等的判定。等的判定。本讲稿第四十七页，共四十九页高分子压电电缆的应用演示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5 cm，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，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。案数据，判定汽车的车型。本讲稿第四十八页，共四十九页本讲稿第四十九页，共四十九页