第四章压电传感器优秀PPT.ppt

第四章 压电传感器第一页，本课件共有36页4.4 4.4 压电式传感器压电式传感器4.4.1 4.4.1 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理4.4.2 4.4.2 等效电路与测量电路等效电路与测量电路4.4.3 4.4.3 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例第二页，本课件共有36页4.4.1 4.4.1 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，此当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此当某些物质沿某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此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，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，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，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，它又重新回到不带电状态，此现象称为它又重新回到不带电状态，此现象称为它又重新回到不带电状态，此现象称为它又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，它会产生机反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机反之，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，这种械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，这种将将将将电能转变为机械能电能转变为机械能电能转变为机械能电能转变为机械能的现象，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三页，本课件共有36页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。第四页，本课件共有36页二、压电元件的坐标系表示法二、压电元件的坐标系表示法第五页，本课件共有36页各平面的电荷密度：各平面的电荷密度：第六页，本课件共有36页压电系数矩阵：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：第七页，本课件共有36页其它压电常数：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第八页，本课件共有36页三、石英晶体的压电效应三、石英晶体的压电效应1.1.石英晶体石英晶体在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴纵轴Z Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X X铀称为电轴，与铀称为电轴，与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 (垂直于六棱柱体的棱面垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。称为机械轴。第九页，本课件共有36页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：压电压电式式传传感器主要是利用感器主要是利用纵纵向向压电压电效效应应。第十页，本课件共有36页（2）横向压电效应横向压电效应在机械（在机械（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。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十一页，本课件共有36页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。第十二页，本课件共有36页四、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十三页，本课件共有36页2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应第十四页，本课件共有36页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。第十五页，本课件共有36页4.4.2 4.4.2 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 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，受力所产无穷大，内部也无漏电时，受力所产无穷大，内部也无漏电时，受力所产无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压生的电压生的电压生的电压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，则电不是无穷大，则电不是无穷大，则电不是无穷大，则电路就要以时间常数路就要以时间常数路就要以时间常数路就要以时间常数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。第十六页，本课件共有36页当需要压电元件输出电荷时，可以把压电元件等效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电路。在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：第十七页，本课件共有36页4.4.2 4.4.2 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十八页，本课件共有36页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压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通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过电缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须过电缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须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放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及考虑前置放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及考虑前置放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及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电阻（绝缘电阻）。传感器的泄漏电阻（绝缘电阻）。传感器的泄漏电阻（绝缘电阻）。传感器的泄漏电阻（绝缘电阻）。第十九页，本课件共有36页二、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。由于常采用两片（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。压电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 第二十页，本课件共有36页1.1.串联：此时两压电片电荷极性为正、负串联输串联：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，输出总电荷出。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等于单片电荷，但输出电压为单片电压U的的的的2倍。倍。倍。倍。第二十一页，本课件共有36页2.2.2.2.并联：此时两压电片电荷同极性端并联。其输出并联：此时两压电片电荷同极性端并联。其输出并联：此时两压电片电荷同极性端并联。其输出并联：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电容为单片电容的电容为单片电容的电容为单片电容的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，极板上电荷量为单片电荷量的极板上电荷量为单片电荷量的极板上电荷量为单片电荷量的极板上电荷量为单片电荷量的2倍。倍。第二十二页，本课件共有36页三、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通常将压电传感器的输出信号输入到测量电路的高输入通常将压电传感器的输出信号输入到测量电路的高输入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放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，量电路的放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，量电路的放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，量电路的放大、检波、数据处理电路或显示设备。由此看来，压电传感器的测量电路中的关键部分在前置放大器。压电传感器的测量电路中的关键部分在前置放大器。压电传感器的测量电路中的关键部分在前置放大器。压电传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出。是阻抗变换，那传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。是阻抗变换，那传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。是阻抗变换，那传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。第二十三页，本课件共有36页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。第二十四页，本课件共有36页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压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通过压电元件的输出信号非常微弱，一般要把其输出信号通过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电缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须考虑电缆送入前置放大器放大，这样在等效电路中就必须考虑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放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器前置放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器前置放大器的输入电阻、输入电容、电缆电容以及传感器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电阻（绝缘电阻）。的泄漏电阻（绝缘电阻）。的泄漏电阻（绝缘电阻）。的泄漏电阻（绝缘电阻）。第二十五页，本课件共有36页三、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器的等效输入端电阻和等效输入端电容等效输入端电容 式式式式中中中中R Ra a代代代代表表表表测测测测量量量量电电电电路路路路的的的的漏漏漏漏电电电电阻阻阻阻，R Ri i代代表表放放大大器器输输入入端端电电阻；阻；式中式中CC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代代表放大器入端电容。表放大器入端电容。第二十六页，本课件共有36页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假设给石英晶体压电元件沿着电轴作用的轴向力为力为F=F=F Fm m m msintsint，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，即压电效应，即压电效应，即压电效应为为为为 Q Q Q Qa a a a=d d11111111F=F=F=F=d d11111111F Fm msintsintsintsint第二十七页，本课件共有36页 与作用力与作用力 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 第二十八页，本课件共有36页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 时时第二十九页，本课件共有36页内部装有超小型阻抗变换器的压电式内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器加速度传感器 将一种电压放大器将一种电压放大器（阻抗变换器）直接（阻抗变换器）直接装进传感器内部，使装进传感器内部，使其一体化。由于该阻其一体化。由于该阻抗变换器充分靠近压抗变换器充分靠近压电元件，引线非常短，电元件，引线非常短，引线电容几乎为引线电容几乎为0 0，这，这就避免了长电缆对传就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。感器灵敏度的影响。第三十页，本课件共有36页第三十一页，本课件共有36页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R Ri、反馈电阻、反馈电阻Rf相相相相当大并视为开路时，放大器的输出电压正比当大并视为开路时，放大器的输出电压正比当大并视为开路时，放大器的输出电压正比当大并视为开路时，放大器的输出电压正比于输入电荷于输入电荷于输入电荷于输入电荷Q。第三十二页，本课件共有36页由于由于 所以所以一般一般A A都很大，则都很大，则都很大，则都很大，则Cf（1+A1+A）（C Ca a+Cc+Cf f）于是于是于是于是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10010000pF10010000pF 为了提高放大器的稳定性，一般在反馈电容的两端并联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一个大电阻R Rf f（约（约10101010101014141414），以提供直流反馈。），以提供直流反馈。第三十三页，本课件共有36页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，传感器的输出电压、灵敏度与电下，传感器的输出电压、灵敏度与电缆长度无关。缆长度无关。第三十四页，本课件共有36页4.4.3 4.4.3 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三十五页，本课件共有36页2.压电式压力传感器压电式压力传感器第三十六页，本课件共有36页