传感器与检测技术压电式传感器概要.pptx

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1、压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电警号压电警号第1页/共55页压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，所所以以它它能能测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些物物理理量量，例例如如力力、压力、加速度等。压力、加速度等。压压电电式式传传感感器器具具有有响响应应频频带带宽宽、灵灵敏敏度度高高、信信噪噪比比大大、结结构构简简单单、工工作作可可靠靠、重重量量轻轻等优点。等优点。第2页/共55页正正正正压压压压电电电电效效效效应应应应（顺顺顺顺压压压压电电电电效效效效应应应应）：某某些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变

2、变形形时时，内内部部就就产产生生极极化化现现象象，同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上产产生生电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重重新新恢恢复复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图1.压电效应压电效应F F F FF FF F 第3页/共55页逆逆逆逆压压压压电电电电效效效效应应应应（电电电电致致致致伸伸伸伸缩缩缩缩效效效效应应应应）：当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在

3、在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当当外外加加电电场场撤撤去去时时，这这些些变变形形或或应应力力也也随随之之消消失失的现象。的现象。电能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应1.压电效应压电效应第4页/共55页 常见的压电材料可分为两类，即常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体压电单晶体和和多晶体压电陶瓷多晶体压电陶瓷。压电单晶体有石英压电单晶体有石英压电单晶体有石英压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠

4、、包括酒石酸钾钠、包括酒石酸钾钠、包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。2.压电晶体及材料压电晶体及材料第5

5、页/共55页对压电材料特性要求转换性能转换性能。要求具有较大压电常数。要求具有较大压电常数。机机械械性性能能。压压电电元元件件作作为为受受力力元元件件，希希望望它它的的机机械械强强度度高高、刚刚度度大大，以以期期获获得得宽宽的线性范围和高的固有振动频率。的线性范围和高的固有振动频率。电电性性能能。希希望望具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，以以减减弱弱外外部部分分布布电电容容的的影影响响并并获获得得良良好的低频特性。好的低频特性。环环境境适适应应性性。温温度度和和湿湿度度稳稳定定性性要要好好，要要求求具具有有较较高高的的居居里里点点，获获得得较较宽宽的的工工作作温度范围。温度范围

6、。时间稳定性时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。第6页/共55页 如图所示为天然石英晶体，如图所示为天然石英晶体，如图所示为天然石英晶体，如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，其结构形状为一个六角形晶柱，其结构形状为一个六角形晶柱，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。两端为一对称棱锥。两端为一对称棱锥。两端为一对称棱锥。2.压电晶体及材料压电晶体及材料第7页/共55页石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形2.压电晶体及材料压电晶体及材料第8页/共55页天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形第9页/共55页在在晶晶体体学学中中，可可以以把

7、把将将其其用用三三根根互互相相垂垂直直的的轴轴表表示示，其其中中，纵纵轴轴Z Z称称为为光光轴轴，光光线线沿沿Z Z轴轴方方向向通通过过晶晶体体不不发发生生双双折折射射，此此轴轴可可用用光光学学方方法法确确定定。沿沿光光轴轴的的作作用用力力不不产产生生压压电电效效应应，故故又又称称作作中中性性轴轴。第10页/共55页X X轴轴称称为为电电轴轴，它它通通过过两两个个相相对对的的棱棱线线，是是相相邻邻柱柱面面内内夹夹角角的的等等分线并且要与分线并且要与Z Z轴垂直。轴垂直。垂垂直直与与此此轴轴的的晶晶面面上上有有最最强强的的压压电效应。电效应。第11页/共55页垂垂直直于于XOZXOZ平平面面的的

8、y y轴轴为为机机械械轴轴，在在电电场场作作用用下下，y y轴轴方方向向有有最最明明显的机械变形。显的机械变形。第12页/共55页ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX通常把沿电轴XX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YY方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。2.压电晶体及材料压电晶体及材料第13页/共55页硅氧离子的排列示意图(a a)硅氧离子在硅氧离子在Z Z平面上的投影平面上的投影（b b）等效为正六边形排列的投影）等效为正六边形排列的投影(b)(a)+-YXXY+2.压电晶

9、体及材料压电晶体及材料第14页/共55页Y+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+电偶极矩分析2.压电晶体及材料压电晶体及材料第15页/共55页电偶极矩分析电偶极矩第16页/共55页电偶极矩分析电偶极矩电偶极矩第17页/共55页 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶 极矩，晶体呈中性；当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现正电荷；当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现负电荷；归纳：第18页/共55页作用力与电荷的关系作用力

10、与电荷的关系（a a）y yx xz zO Ox xa az zy yb bc c（b b）若从晶体上沿沿y y方方向向切下一块如图5-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P P P P11与应力x 成正比。第19页/共55页 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:d为压电系数在X轴方向施力时,产生电荷大小为:1为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为:2为Y方向应力压电系数 d11=-d12 为常数 a、b是晶体切片几何尺寸(厚、长)关系式：第20页/共55页压电石英晶体的特点：压电石英晶体的特点：压电常数

11、小，其时间和温度稳定性好，常温下几乎不变。压电常数小，其时间和温度稳定性好，常温下几乎不变。机机械械强强度度和和品品质质因因数数高高，许许用用应应力力高高达达（6.99.86.99.8）10107 7MPaMPa，且且刚刚度度大大，固有频率高，动态特性好。固有频率高，动态特性好。居里点为居里点为573573，重复性好、绝缘性好。，重复性好、绝缘性好。对对于于天天然然石石英英，上上述述性性能能尤尤佳佳，它它们们常常用用于于精精度度和和稳稳定定性性要要求求高高的的场场合合和和制制作标准传感器。作标准传感器。第21页/共55页压电陶瓷压电陶瓷谐波器 超声波医学压电陶瓷压电陶瓷晶片 压电陶瓷蜂鸣器 打

12、火用压电陶瓷第22页/共55页压电陶瓷第23页/共55页陶瓷压电效应陶瓷压电效应第24页/共55页陶瓷压电逆效应陶瓷压电逆效应第25页/共55页3.3.3.3.压电元件及其晶片连接方压电元件及其晶片连接方压电元件及其晶片连接方压电元件及其晶片连接方法法法法第26页/共55页+_U_+_+_电路串联电路串联+_+_U电路并联+_+C C串串=C C/2/2，U U串串=2=2U U，Q Q串串=Q QC C并并=2=2C C，U U并并=U U，Q Q并并=2=2Q Q3.3.3.3.压电元件及其晶片连接方压电元件及其晶片连接方压电元件及其晶片连接方压电元件及其晶片连接方法法法法采用串联方式传感

13、器本身电容小，输出电压大，适用于以电压作为输出信号的场合。采用并联方式传感器本身的电容大，输出电荷量大，时间常数大，适用于测量缓慢信号和以电荷作为输出的场合。第27页/共55页4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器（1 1）等效电路）等效电路当当当当压压压压电电电电晶晶晶晶体体体体承承承承受受受受应应应应力力力力作作作作用用用用时时时时，在在在在它它它它的的的的两两两两个个个个极极极极面面面面上上上上出出出出现现现现极极极极性性性性相相相相反反反反但但但但电电电电量量量量相相相相等等等等的的的的电电电电荷荷荷荷。故故故故可可可可把把把把压压压压电电电电传传

14、传传感感感感器器器器看看看看成成成成一一一一个个个个电电电电荷荷荷荷源源源源。当当当当压压压压电电电电元元元元件件件件表表表表面面面面聚聚聚聚集集集集电电电电荷荷荷荷时时时时，它它它它又又又又相相相相当于一个以压电材料为电解质的电容器。当于一个以压电材料为电解质的电容器。当于一个以压电材料为电解质的电容器。当于一个以压电材料为电解质的电容器。QCa第28页/共55页4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器（1 1）等效电路）等效电路因此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源与电容相并联因此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源与电容相并联的电荷等效电路。如下图所

15、示。开路状态输出电荷为的电荷等效电路。如下图所示。开路状态输出电荷为第29页/共55页4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为：当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为：当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为：当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为：因因此此，压压电电传传感感器器还还可可以以等等效效为为电电压压源源Ua和和一一个个电电容容器器Ca的的串串联联电电路路，如图如图。第30页/共55页实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的

16、等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。压电元件并非理想原件，内部存在泄露电阻Ra，压电传感器完整的等效电路可表示为：4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器CaRaCcRiCiq压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻第31页/共55页可见，压电传感器的泄露电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器泄露电阻应保待在1013以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。

17、与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。CaRaCcRiCiqCa传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻第32页/共55页由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。指示仪表或记录器中。(其

18、中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器第33页/共55页前置放大器的作用前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的电压放大器电压放大器，其，其输出电压输出电压与与输入电压输入电压(即传感器的输出即传感器的输出)成成正比正比；另一种是用带电容板反馈的；另一

19、种是用带电容板反馈的电荷放大器电荷放大器，其，其输出电压输出电压与与输入输入电荷电荷成成正比正比。由于电荷放大器电路的。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。而电荷放大器应用日益广泛。4.4.压电式传感器的等效电路和前置放大器压电式传感器的等效电路和前置放大器第34页/共55页1 1、电压放大器、电压放大器其输入电压其输入电压导致电压放大器输入电压与屏蔽电缆线的分布电容导致电压放大器输入电压与屏蔽电缆线的分布电容CcCc以及放大器的输入电容以及放大器的输入电容CiCi有关，有关，他们均是变数，会影响

20、测量结果。他们均是变数，会影响测量结果。第35页/共55页1 1、电压放大器、电压放大器可见：可见：连接电缆不宜太长，而且也不能随意更换电缆，否则会使传感器实际灵敏度与出厂连接电缆不宜太长，而且也不能随意更换电缆，否则会使传感器实际灵敏度与出厂标定灵敏度不一致，从而导致测量误差。标定灵敏度不一致，从而导致测量误差。CcCc以及放大器的输入电容以及放大器的输入电容CiCi有关，他们均有关，他们均是变数，会影响测量结果。是变数，会影响测量结果。第36页/共55页2 2、电荷放大器、电荷放大器A0CaUUSC电荷放大器原理电路图iRaqCFRF电电荷荷放放大大器器是是一一个个具具有有深深度度负负反反

21、馈馈的的高高增增益益放放大大器器，其其基基本本电电路路如如图图。若若放放大大器器的的开开环环增增益益A A0 0足足够够大大，并并且且放放大大器器的的输输入入阻阻抗抗很很高高，则则放放大大器器输输入入端端几几乎乎没没有有分分流流，运算电流仅流入反馈回路运算电流仅流入反馈回路C CF F与与R RF F。第37页/共55页可见：l 电荷放大器中，输出电压与电缆电容Cc无关，与Q成正比，与Cf成反比，这是电荷放大器的突出优点。l 缺点是电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。第38页/共55页四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.第39页/共55页超

22、小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块主要指标:灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)频率范围：0.3100KHz(上、下限可选)噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV归一化：外接电阻调整线性误差：1%最大输出：5V或10V电源：6V15V特点：可组成经济的多点测试系统第40页/共55页其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器第41页/共55页其他电荷放大器外形（续）第42页/共55页压电传感器的应用压电传感器的应用 一、高分子压电材料的应用 1.1.玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置粘贴位置第43页/共55页质量块将 厚 约 0.2mm左 右 的 PVDF薄 膜 裁 制 成1

23、0 20mm大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。第44页/共55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）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或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或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出波形。第45页/共55页 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴

24、数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。3.3.交通监测交通监测 第46页/共55页 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5cm，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。高分子压电电缆的应用演高分子压电电缆的应用演示示第47页/共55页压电压电(陶瓷陶瓷)式动态力传感器以及在式动态力传感器以及在 车车床中用于动态切削力的测量床中用于动态切削力的测量 第48页/共55页压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电

25、式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳的动态力第49页/共55页三、压磁式传感器三、压磁式传感器1.1.压磁效应压磁效应在机械力作用下，铁磁材料内部产生应力或应力变化，使在机械力作用下，铁磁材料内部产生应力或应力变化，使磁导率发生变化，磁阻相应也发生变化的现象称为压磁效磁导率发生变化，磁阻相应也发生变化的现象称为压磁效应应外力是拉力时，在作用力方向铁磁材料磁导率提高，垂直外力是拉力时，在作用力方向铁磁材料磁导率提高，垂直作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。作用力方向磁导率降低；作用力为压力时，则反之。第50页/共55页三、压磁式传感器三、压磁式传感器1.1.压磁效应

26、压磁效应压磁元件结构如右图。压磁元件结构如右图。它把若干片形状相同的硅钢片叠合它把若干片形状相同的硅钢片叠合在一起，并用环氧树脂将片与片之在一起，并用环氧树脂将片与片之间粘合起来，在压磁元件上开四个间粘合起来，在压磁元件上开四个对称的孔，并分别绕有两个绕组。对称的孔，并分别绕有两个绕组。一般把一般把1 1、2 2孔的绕组作为一次侧绕孔的绕组作为一次侧绕组，把组，把3 3、4 4孔的绕组作为二次侧绕孔的绕组作为二次侧绕组。组。第51页/共55页三、压磁式传感器三、压磁式传感器2.2.压磁式力传感器工作原理压磁式力传感器工作原理根据压磁效应原理，当在一次侧绕组根据压磁效应原理，当在一次侧绕组通过交

27、变励磁电流时，铁心中产生磁通过交变励磁电流时，铁心中产生磁场，由于压磁元件在未受力时各向同场，由于压磁元件在未受力时各向同性，磁力线呈轴对称分布。如图（性，磁力线呈轴对称分布。如图（a a）所示。此时合成磁场强度平行于二次所示。此时合成磁场强度平行于二次侧绕组的平面，磁力线不与二次侧绕组侧绕组的平面，磁力线不与二次侧绕组交链，故二次侧不会感应出电动势。交链，故二次侧不会感应出电动势。（a）（b）第52页/共55页三、压磁式传感器三、压磁式传感器2.2.压磁式力传感器工作原理压磁式力传感器工作原理当压磁元件受外力作用时，由于压磁当压磁元件受外力作用时，由于压磁元件内部引起各向磁导率的变化，磁元件

28、内部引起各向磁导率的变化，磁力线分布呈椭圆形，如图（力线分布呈椭圆形，如图（b b）所示。）所示。于是合成磁场不再于二次侧绕组平面于是合成磁场不再于二次侧绕组平面平行，而有部分与二次侧绕组交链，平行，而有部分与二次侧绕组交链，在二次侧感应出电动势。在二次侧感应出电动势。而且，外力而且，外力F F越大，压磁元件中应力越越大，压磁元件中应力越大，磁力线交链越多，二次侧绕组感应大，磁力线交链越多，二次侧绕组感应电动势越大。电动势越大。经测量电路转换为经测量电路转换为U U和和I I，可得其与被测力之间的关系。，可得其与被测力之间的关系。（a）（b）第53页/共55页2.2.压磁式力传感器工作原理压磁式力传感器工作原理第54页/共55页感谢您的观看！第55页/共55页