传感器课件第五章 压电式传感器.ppt

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1、第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 本章主要内容本章主要内容5.1 5.1 压电效应压电效应5.2 5.2 压电材料压电材料5.2.1 5.2.1 石英晶体石英晶体5.2.2 5.2.2 压电陶瓷压电陶瓷5.3 5.3 压电传感器测量电路压电传感器测量电路5.3.1 5.3.1 等效电路等效电路5.3.2 5.3.2 电压放大器电压放大器5.3.3 5.3.3 电荷放大器电荷放大器5.35.3压电式传感器的应用压电式传感器的应用 目录目录第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 掌握正、逆压电效应掌握正、逆压电效应了解常用的压电材料了解常用的压电材料了解压电效应的产生机理了解压电效应的产

2、生机理掌握压电式传感器的测量电路掌握压电式传感器的测量电路电压放大器和电荷放大器电压放大器和电荷放大器了解压电式传感器的应用了解压电式传感器的应用本章主要内容本章主要内容第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 5.1 压电效应压电效应 某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示

3、第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 5.2.1 5.2.1 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5.2 压电材料压电材料第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 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镀银并封装双面镀银并封装第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 （1 1）石英晶体工作原理石英晶体工作原理 石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图6-2（a）表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴,与 x 和 z 轴同时垂直的

4、轴 y 称为机械轴。通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。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。第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 （2 2）石英晶体的压电方程）石英晶体的压电方程各向异性的石英晶片，单一压电效应：式中：i电效应（场强，极化）方向的下标，i=1，2，3；j力方向（应力，应变）方向的坐标，j=1，2，6；Tjj方向的外施力分量（Pa）；

5、j方向的应力在i方向的极化强度（或i表面上的电荷密度）（C/)；j方向的应力引起i表面产生电荷时的压电常数 推广：（i=1，2，3）第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 （3）石英晶体产生压电效应的机理石英晶体产生压电效应的机理初始状态：因为P P=qLqL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 当受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加

6、而不等于零,即（P P1 1+P+P2 2+P+P3 3）x x 0 0。在x轴正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P1增大,P2、P3 减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。优点：优点：转转换换效效率率和和转转换换精精度度高高、线线性性范范围围宽宽、重重复复性性好好、固固有有频频率率高高、动动

7、态态特特性性好好、工工作作温温度度高高达达550550（压压电电系系数数不不随随温温度度而而改改变变）、工工作作湿湿度度高高达达100%100%、稳稳定定性好。性好。第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 压电陶瓷外形压电陶瓷外形 5.2.2 压电陶瓷压电陶瓷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第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 （1 1）压电陶瓷压电原理压电陶瓷压电原理 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,压电陶瓷呈中性,不具有压电性质；施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于

8、按外电场方向的排列,使材料得到极化。第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 压电陶瓷电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33 F式中:d33 压电陶瓷的压电系数;F作用力。特点：特点：压电系数比石英晶体的大得多压电系数比石英晶体的大得多,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。灵敏度较高。如钛酸钡（如钛酸钡（BaTiO3）的压电系数约为石英的）的压电系数约为石英的50倍倍,。目目前前使使用用较较多多的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料是是锆锆钛钛酸酸铅铅（PZT系系列列）,它它是是钛钛酸酸钡钡（BaTiO3)和和锆锆酸酸铅铅（PbZrO3）组组成成的的Pb

9、（ZrTi）O3。它它有有较较高高的的压压电电系数和较高的工作温度。系数和较高的工作温度。第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 5.3 5.3 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路5.3.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 (a)(a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q Q与一个电容与一个电容C Ca a并联的电路并联的电路 (b)(b)等效成一个电源等效成一个电源U U=Q Q/C Ca a 和一个电容和一个电容C Ca a的串联电路的串联电路 第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 Ca：传感器的电容：传感器的电容 Ra：传

10、感器的漏电阻：传感器的漏电阻 Cc：连接电缆的等效电容：连接电缆的等效电容 Ri：放大器的输入电阻：放大器的输入电阻 Ci：放大器的输入电容：放大器的输入电容 5.3.2电压放大器第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 前置放大器输入电压前置放大器输入电压 压电元件的力压电元件的力 F=Fmsint 压电元件的压电系数为压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为，产生的电荷为Q=d11F。输入电压的幅值输入电压的幅值 结论：结论：不能测量静态物理量。不能测量静态物理量。压电传感器有很好的高频响应；压电传感器有很好的高频响应；提高测量回路的电阻扩大低频响应范围提高测量回路的电阻扩大低频响应范围第

11、第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 5.3.3 电荷放大器电荷放大器 K是放大器的开环增益，（是放大器的开环增益，（-K）表示放大器的输出与输入反相，）表示放大器的输出与输入反相，若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地地”电位。电位。第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 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、输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，与放大器的放大系数的变化、输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，与放大器的放大系数的变化或电缆电容等无关；或电缆电容等无关；2、保持反馈电容的数值

12、不变，就可得到与电荷量、保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线形关系的输出变化成线形关系的输出电压；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要求，就必须选择适当的反馈电容。、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。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）第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 5.4 5.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 一、一、压电式测力传感器压电式测力传感器 下图是压电式单向测力传感器的结构图,由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。

13、第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 二、二、压电式加速度传感器压电式加速度传感器 下图是一种压电式加速度传感器的结构图。由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 三、三、压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 下图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。图中压电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便测得切削力的变化。第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器 四、压电式玻璃破碎报警器四、压电式玻璃破碎报警器 BSD2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器,它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出 输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。