第07章压电式传感器课件.ppt

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1、第07章压电式传感器第1页，此课件共39页哦正压电效应正压电效应 某些物质在一定方向受到压力或拉力作用而发生改变某些物质在一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉后，它们又重新时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应逆压电效应逆压电效应 在压电材料的两个电极上加以交流电压，压电片会产在压电材料的两个电极上加以交流电压，压电片会产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电生机械振动，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材料的这种现象称为“电致伸缩效

2、应电致伸缩效应”，也称，也称“逆压电效逆压电效应应”。压电效应压电效应(piezoelectriceffect)7.1压电效应压电效应可逆型换能器可逆型换能器第2页，此课件共39页哦石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应电能电能7.1压电效应压电效应第3页，此课件共39页哦常见的压电材料分为三类常见的压电材料分为三类：1)1)单晶压电晶体单晶压电晶体(如石英、酒石酸钾钠等如石英、酒石酸钾钠等)2)2)多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷(如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等)3)3)高

3、分子材料高分子材料(聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯(PVDF)(PVDF)。7.1压电效应压电效应第4页，此课件共39页哦 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应理想形状理想形状：六棱柱，两六棱柱，两六棱柱，两六棱柱，两端为对称的棱锥，共端为对称的棱锥，共端为对称的棱锥，共端为对称的棱锥，共3030个晶面个晶面。纵轴纵轴纵轴纵轴z-zz-zz-zz-z称作称作称作称作光轴光轴光轴光轴，通，通过六棱柱棱线而垂直过六棱柱棱线而垂直于光轴的轴线于光轴的轴线 x-xx-x称称称称作作作作电轴电轴，垂直于棱面，垂直于棱面的轴线的轴线y-yy-yy-yy-y称作称作称作称作机械轴机械轴机械轴机械轴右螺旋法则。右螺

4、旋法则。右螺旋法则。右螺旋法则。7.1压电效应压电效应第5页，此课件共39页哦通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分别平行别平行别平行别平行z-zz-z、y-yy-y、x-xx-x轴线轴线 。切片在受到沿不同方向的作。切片在受到沿不同方向的作用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有纵向纵向纵向纵向效应、横向效应和切向效应效应、横向效应和切向效应效应、横向效应和切向效应

5、效应、横向效应和切向效应三种。三种。7.1压电效应压电效应第6页，此课件共39页哦7.1压电效应压电效应压电效应作用方向图压电效应作用方向图 例：石英晶体的压电效应例：石英晶体的压电效应晶片在电轴晶片在电轴x-x方向上受到压应力：方向上受到压应力：结论：当石英晶体切片受结论：当石英晶体切片受x向压力作用时，所产生的电向压力作用时，所产生的电荷量荷量qxx与作用力与作用力Fx成正比，但与切片的几何尺寸无关。成正比，但与切片的几何尺寸无关。第7页，此课件共39页哦7.1压电效应压电效应在横向在横向 (y-y)施加作用力施加作用力结论：当沿着机轴结论：当沿着机轴y-y方向施加压力时，产生的电荷量与方

6、向施加压力时，产生的电荷量与晶片几何尺寸有关，而该电荷的极性则与沿电轴晶片几何尺寸有关，而该电荷的极性则与沿电轴x-x方方向加压力时产生的电荷极性相反向加压力时产生的电荷极性相反(式中负号式中负号)。第8页，此课件共39页哦压电元件材料一般有三类：压电元件材料一般有三类：(1)单晶压电晶体（如上述的石英晶体）单晶压电晶体（如上述的石英晶体）(2)多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷(3)新型压电材料新型压电材料-压电半导体压电半导体-高分子压电材料高分子压电材料7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第9页，此课件共39页哦1.石英晶体石英晶体一种天然晶体，压电系数一种天然晶体，压电系数d112.3

7、110-12C/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、固有频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、工作温度高达率高、动态特性好、工作温度高达550(压电系数不随温度压电系数不随温度而改变而改变)、工作湿度高达、工作湿度高达100%、稳定性好。、稳定性好。7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第10页，此课件共39页哦x轴：电轴或轴：电轴或1轴；轴；y轴：机械轴或轴：机械轴或2轴；轴；z轴：光轴或轴：光轴或3轴。轴。“纵向压电效应纵向压电效应”：

8、沿：沿电轴电轴(x轴轴)方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷“横向压电效应横向压电效应”：沿：沿机械轴机械轴(y轴轴)方向的力作用下产生电荷方向的力作用下产生电荷在在光轴光轴(z轴轴)方向有作用力时，不会产生压电效应。方向有作用力时，不会产生压电效应。7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第11页，此课件共39页哦天然石英晶体外形天然石英晶体外形1.石英晶体石英晶体7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第12页，此课件共39页哦石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第13页，此课件共39页哦石

9、英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡石英晶体在振荡电路中工作时，电路中工作时，压电效应与逆压压电效应与逆压电效应交替作用，电效应交替作用，从而产生稳定的从而产生稳定的振荡输出振荡输出晶振晶振7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第14页，此课件共39页哦2.压电陶瓷压电陶瓷人工制造的多晶体，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。压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化（a）未极化的陶瓷）未极化的陶瓷（b）正在极化的陶瓷）正在极化的陶瓷（c）极化后的陶瓷）极化后的陶瓷7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第15页，此课件共39页哦常见压电陶瓷：

10、常见压电陶瓷：(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、时间等外界条件变压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获化小，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

11、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，可作为高温环境中测力传感器。作，可作为高温环境中测力传感器。7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第16页，此课件共39页哦压电陶瓷外形压电陶瓷外形7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第17页，此课件共39页哦无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）（上海硅酸盐研究所研制）7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第18页，此课件共39页哦3.新型压电材料新型压电材料(1)(1)压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料有压电半导体材料有压电

12、半导体材料有压电半导体材料有硫化锌硫化锌(ZnS)、碲化镉、碲化镉(CdTe)、氧化、氧化锌锌(ZnO)、硫化镉、硫化镉(CdS)、碲化锌、碲化锌(ZnTe)和砷化镓和砷化镓(GaAs)等。等。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。参数。7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第19页，此课件共39页哦(2)高分子压电材料高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯(PVF2或或PVDF

13、)、聚氟乙烯、聚氟乙烯(PVF)、改性聚氯乙烯、改性聚氯乙烯(PVC)等。它是一种等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达达80dB。3.新型压电材料新型压电材料7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第20页，此课件共39页哦高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制7.2压电材料的分类及特性压

14、电材料的分类及特性第21页，此课件共39页哦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7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第22页，此课件共39页哦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7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第23页，此课件共39页哦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）7.2压电材料的分类及特性压电材料的分类及特性第24页，此课件共39页哦双晶片结构形式双晶片结构形式 实际使用中，采用单片压电片工作的话要产生足够表实际使用中，采用单片压电片工作的话要

15、产生足够表面电荷就需很大作用力但测量粗糙度和微压差时所提供的面电荷就需很大作用力但测量粗糙度和微压差时所提供的力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或两片以力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或两片以上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片有电荷极上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片有电荷极性，因此连接方式有并联和串联两种形式。性，因此连接方式有并联和串联两种形式。并联并联串联串联7.3压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式第25页，此课件共39页哦7.3压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式第26页，此课件共39页哦两个压电片的联结方式两个压电片的联结方式7.3压电元件

16、常用结构形式压电元件常用结构形式串联时，输出电压大、电容小、串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。时间常数小。适宜测量高频信号和以电压输出适宜测量高频信号和以电压输出的场合。的场合。并联时，输出电荷量大、电容大、并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；时间常数大；适宜测量缓变信号和以电荷输适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。出的场合。第27页，此课件共39页哦7.4压电传感器等效电路压电传感器等效电路测量电路测量电路压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路压电器件相当于具有一定压电器件相当于具有一定 电容的电荷源，其电容：电容的电荷源，其电容：电容两极板间开路电压为：电容两极板间开

17、路电压为：第28页，此课件共39页哦7.4压电传感器等效电路压电传感器等效电路压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路若考虑负载（测量电路），等效电路如下：若考虑负载（测量电路），等效电路如下：第29页，此课件共39页哦 假设一恒定力假设一恒定力F F作用于压电器件，产生电量作用于压电器件，产生电量q q，则输出则输出电压：电压：压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的内阻压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的内阻很大（压电元件漏电阻很大（压电元件漏电阻R Ra a一般在一般在101013 13 101014 14 以上），因以上），因此此输出信号很微弱输出信号很微弱，给后续

18、测量电路提出很高的要求。，给后续测量电路提出很高的要求。由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻R Ri i 非无限大，非无限大，电路将按指数规律放电，造成电路将按指数规律放电，造成测量误差测量误差。电路放电时间常。电路放电时间常数数 =(=(R Ra a/R Ri i)C C R Ri i C C（一般一般R Ra aR Ri i），），为了减小误差，为了减小误差，R Ri i越大越好。越大越好。7.4压电传感器等效电路压电传感器等效电路第30页，此课件共39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Ri必须有很大的数值，必须有很大的数值，才能使

19、测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高才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，然后再接一般的放大电路及其它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。电路。测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。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。7.5压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路第31页，此课件共39页哦电荷放大器电荷放大器电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器

20、。电荷放大器是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，而且输出电压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着阻抗变换的正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达作用，其输入阻抗高达10101012，输出阻抗小于，输出阻抗小于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，传感：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。器的灵敏度与电缆长度无关。7.5压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路第32页，此课件共39页哦压电传感器的电荷放大器等效电路

21、压电传感器的电荷放大器等效电路 7.5压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路输出电压正比于输入电荷。输出电压正比于输入电荷。在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。第33页，此课件共39页哦充电电压接近等于放大器的输出电压充电电压接近等于放大器的输出电压 结论：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、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；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、只要保持反馈电容的数值不变，就

22、可得到与电荷量Q 变化成线变化成线形关系的输出电压。形关系的输出电压。3、反馈电容、反馈电容Cf 小，输出就大。小，输出就大。4、要达到一定的输出灵敏度，必须选择适当的反馈电容。、要达到一定的输出灵敏度，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：、输出电压与电缆电容无关条件：(1+K)Cf(Ca+Cc+Ci)7.5压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路第34页，此课件共39页哦超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块主要指标主要指标:灵灵敏敏度度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围频率范围：0.3100kHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最

23、大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV归归一一化化：外接电阻调整：外接电阻调整线性误差线性误差：1%最大输出最大输出：5V或或10V电电源源：6V15V特特点点：可组成经济的多点测试系统：可组成经济的多点测试系统7.5压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路第35页，此课件共39页哦7.5压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路多通道电荷放大器多通道电荷放大器第36页，此课件共39页哦1.高分子压电材料的应用高分子压电材料的应用玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会产生的振动信号，时会产生的

24、振动信号，并将电压信号传送给并将电压信号传送给集中报警系统。集中报警系统。粘贴位置7.6压电传感器的应用压电传感器的应用第37页，此课件共39页哦2.交通监测交通监测将高分子压电电缆埋将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及息采集（道路监控）及机场滑行道等。机场滑行道等。7.6压电传感器的应用压电传感器的应用第38页，此课件共39页哦压电式振动加速度传感器结构及外形压电式振动加速度传感器结构及外形横向振动测振器横向振动测振器纵向振动测振器纵向振动测振器7.6压电传感器的应用压电传感器的应用3.在振动测量中应用在振动测量中应用第39页，此课件共39页哦