第七章压电式传感器

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1、现代检测技术现代检测技术 压电式传感器压电式传感器精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事Xian Jiaotong University 压电式传感器是一种典型的压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型、有源传感器（发电型、自源型）自源型），既可以将机械能转变为电能，又能将电能转，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应压电效应。qd F 压电常数压电常数d与材料和机械与材料和机械形变方向有关，形变方向有关，q的极性与变的极性与变形的形式有关。形的形式有关。 压电效应可逆性压压电电元元件件机械量电量压电式传感器

2、压电式传感器能够测量与力有关的物理量，如能够测量与力有关的物理量，如压力、加速度压力、加速度。Xian Jiaotong University某些材料（如石英）当沿着一定方向施加力变形，由某些材料（如石英）当沿着一定方向施加力变形，由于材料分子不具备中心对称性，其内部产生极化现象，同于材料分子不具备中心对称性，其内部产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，重新恢复到不带电状态，此现象称为重新恢复到不带电状态，此现象称为正压电效应正压电效应。压电效。压电效应是可逆的。应是可逆的。 逆压电效应逆压电效应是指当压电材料沿

3、一定方向受到电场作用是指当压电材料沿一定方向受到电场作用时，相应的在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，时，相应的在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，又称又称电致伸缩效应电致伸缩效应。当外加电场撤去后，晶体内部的应力。当外加电场撤去后，晶体内部的应力或变形也随之消失。或变形也随之消失。压电效应压电效应Xian Jiaotong University纵轴纵轴 z-z称作称作光轴光轴，通过六棱柱棱线而垂直通过六棱柱棱线而垂直于光轴的轴线于光轴的轴线x-x称作称作电轴电轴，垂直于棱面的轴，垂直于棱面的轴线线 y-y称作称作机械轴。机械轴。 每个晶体单元中，每个晶体单元中，具有具有3 3个硅

4、离子和个硅离子和6 6个氧个氧离子，氧离子是成对的，离子，氧离子是成对的，构成六边的形状。在没构成六边的形状。在没有外力的作用时，电荷有外力的作用时，电荷互相平衡，外部没有带互相平衡，外部没有带电现象。电现象。压电效应压电效应Xian Jiaotong University压电效应压电效应右图：硅氧离子排列示意图右图：硅氧离子排列示意图 下图：石英晶体压电效应示意图下图：石英晶体压电效应示意图P1、P2、P3 偶极矩偶极矩1230PPP1230XPPP1230XPPP压力压力 拉力拉力 Xian Jiaotong University纵向压电效应纵向压电效应：沿电轴：沿电轴(x轴轴)施加作用力

5、，电荷出现在与施加作用力，电荷出现在与x轴相垂轴相垂直的表面上。直的表面上。横向压电效应横向压电效应：沿机械轴：沿机械轴(y 轴轴)施加作用力，电荷仍出现在与施加作用力，电荷仍出现在与x 轴相垂直的表面上，但极性相反。轴相垂直的表面上，但极性相反。横向效应（垂直极化）横向效应（垂直极化）纵向效应（平行极化）纵向效应（平行极化）石英晶体石英晶体压电效应压电效应Xian Jiaotong University压电效应压电效应石英晶体切片石英晶体切片 当受到沿当受到沿X轴方向的应力轴方向的应力FX时，产生的时，产生的极化电荷极化电荷为：为：极间电容极间电容为：为：极间电压极间电压为：为：晶体在晶体在

6、X方向产生方向产生电致伸缩电致伸缩，厚度变形，厚度变形为：为：11XXqd F0rXlbCt XXXqUC11Xtd U Xian Jiaotong University压电效应压电效应v 几个结论几个结论 无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性无论是正或逆压电效应，其作用力与电荷之间呈线性关系；关系； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；存在逆压电效应； 石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。Xian Jiaotong University1. 压电常数压电常数表示产

7、生电荷与作用力之间的关系；表示产生电荷与作用力之间的关系；2. 弹性模量弹性模量表示压电元件的刚度，刚度越大，固有表示压电元件的刚度，刚度越大，固有振动频率越高；振动频率越高；3. 电阻率电阻率电阻率越大，压电元件内阻越大，将减少电阻率越大，压电元件内阻越大，将减少电荷泄漏；电荷泄漏；4. 居里点居里点温度超过居里点时，压电材料的压电性能温度超过居里点时，压电材料的压电性能被破坏。居里点高，压电元件的工作温度范围大。被破坏。居里点高，压电元件的工作温度范围大。压电材料主要特征参数压电材料主要特征参数 Xian Jiaotong University1. 压电晶体压电晶体性能优良，压电常数较小，

8、常做标准高精度性能优良，压电常数较小，常做标准高精度传感器。传感器。石英石英（SiO2）天然或人工合成。具有良好的机械强度和天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小，但压电效应。压电系数较小，但压电系数的时间和温度稳定性压电系数的时间和温度稳定性好好。在。在20200内，温度每升高内，温度每升高1，压电系数仅减小，压电系数仅减小0.016%，升高到，升高到200 时，仅减小时，仅减小 5% ，达到，达到573 时，失时，失去压电特性，此温度称为石英的去压电特性，此温度称为石英的居里点居里点。介电常数为。介电常数为4.5。主要压电材料主要压电材料 Xian Jiaotong U

9、niversity2. 压电陶瓷压电陶瓷如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，由如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。压电常数多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件大多采用压电陶一般比石英高数百倍。现代压电元件大多采用压电陶瓷。缺点是机械强度和居里点较低，高温时容易老化，瓷。缺点是机械强度和居里点较低，高温时容易老化，在一般工业广泛应用。在一般工业广泛应用。3. 高分子压电材料高分子压电材料如如聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氯）、聚氯乙稀（乙稀（PVC）等，易于大量生产、面积大、柔软不易）等，易于大量生产、面积大、

10、柔软不易破碎，可制成阵列器件，价格便宜。破碎，可制成阵列器件，价格便宜。 用于微压和机器用于微压和机器人触觉。人触觉。4. 4. 压电半导体压电半导体具有压电和半导体两种特性，易于集成。具有压电和半导体两种特性，易于集成。主要压电材料主要压电材料 Xian Jiaotong University压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷极化处理前后电畴变化示意图压电陶瓷极化处理前后电畴变化示意图Xian Jiaotong University压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应极化极化 正压电效应正压电效应 逆压电效应逆压电效应 Xian Jiaotong University压电传感器相当

11、于压电传感器相当于电荷发生器电荷发生器，或，或平板电容器平板电容器，其电，其电容量为：容量为：SC S 压电片面积，压电片面积，压电材料介电常数，压电材料介电常数，极板间距。极板间距。电容两极板间开路电压为：电容两极板间开路电压为：quC压电式传感器主要是压电式传感器主要是利用纵向压电效应利用纵向压电效应。等效电路等效电路 Xian Jiaotong University 压电材料有很大内阻压电材料有很大内阻R，等效为电压源和电流源的，等效为电压源和电流源的电路分别为：电路分别为：等效电路等效电路 Xian Jiaotong Universityw压电传感器本身产生的压电传感器本身产生的电荷量

12、很小电荷量很小，且传感器本身的，且传感器本身的内阻很大内阻很大，因此，因此输出信号很微弱输出信号很微弱，给后续测量电路提出很，给后续测量电路提出很高的要求。高的要求。w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Ri非无限非无限大，电路将按指数规律放电，造成测量误差。为了减小误大，电路将按指数规律放电，造成测量误差。为了减小误差，差，Ri越大越好越大越好。w电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器常困难。通常压电传感器适宜作动态测量适宜作动态测量。w实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往

13、用两个实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体或两个以上的晶体串联或并联串联或并联：压电传感器测量电路特点压电传感器测量电路特点 Xian Jiaotong University并联时，输出电荷量大、并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；电容大、时间常数大；适宜测量缓变信号和以电适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。荷输出的场合。串联时，输出电压大、电串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。容小、时间常数小。适宜测量高频信号和以电适宜测量高频信号和以电压输出的场合。压输出的场合。测量电路测量电路 Xian Jiaotong University 电荷放大器电荷放大器的性

14、能稳定，其输出不受电缆分布电容的性能稳定，其输出不受电缆分布电容的影响。的影响。 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把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传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器前置放大器：电压放电压放大器大器或或电荷放大器电荷放大器，对传感器输出的电压或电荷信号进，对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大检波电路输变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大检波电路输入到指示仪表或记录器。入到指示仪表或记录器。 前

15、置放大器的作用：放大信号、阻抗变换前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换测量电路测量电路 Xian Jiaotong University()(1)(1)FFFCiiCiCFiFFFUAuuUA uUCuCCA C 电荷放大器是一个电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高。可将传感器的漏电阻其输入阻抗极高。可将传感器的漏电阻Ra和电荷放大器的和电荷放大器的输入电阻输入电阻Ri视为开路。视为开路。等效电路等效电路电荷放大器电荷放大器 （密勒效应）（密勒效应） Xian Jiaotong University 表明表明: 在一定条件下，电荷放大器的

16、输出电压与外力在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc和和Ci无关。无关。(1)oiacifAqUAuCCCA C offqdUFCC 电荷放大器电荷放大器 Xian Jiaotong Universityu 能量转换型传感器。能量转换型传感器。u 体积小体积小，重量轻重量轻，刚性好刚性好，可以提高其固有频率，可以提高其固有频率，得到得到较宽的工作频率范围较宽的工作频率范围。u 灵敏度高灵敏度高，稳定性好稳定性好，可靠可靠。u 有有比较理想的线性比较理想的线性，且通常没有滞后现象。，且通常没有滞后现象。u 低频特性较差，低频

17、特性较差，主要用于动态测量。主要用于动态测量。压电式传感器的特点压电式传感器的特点 Xian Jiaotong University力力压压力力M移移动动动态力、机械冲击、振动、压力、形变、加速度、动态力、机械冲击、振动、压力、形变、加速度、位位移传感器移传感器等。等。压电式传感器的应用压电式传感器的应用 Xian Jiaotong University 如左图所示：当被测物如左图所示：当被测物体与传感器一起受到冲击振体与传感器一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯动时，压电元件受质量块惯性力作用，根据牛顿第二定性力作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函律，此惯性力是加速度的函数，即：数

18、，即：F=ma传感器输出电荷为：传感器输出电荷为：QFma 压电式传感器应用最多的是测力，尤其是对冲击、振动加速压电式传感器应用最多的是测力，尤其是对冲击、振动加速度的测量。在众多型式的测振传感器中，度的测量。在众多型式的测振传感器中，压电加速度传感器占压电加速度传感器占80%以上以上，如，如金属加工切削力传感器、玻璃破碎报警器等应用。金属加工切削力传感器、玻璃破碎报警器等应用。压电式传感器的应用压电式传感器的应用 可用质量、弹簧、阻尼组成的二阶系统模拟可用质量、弹簧、阻尼组成的二阶系统模拟Xian Jiaotong University压电式传感器的应用压电式传感器的应用防水型防水型 高效高效 高灵敏度高灵敏度 压电天平式粉尘计压电天平式粉尘计 压电剪切式压电剪切式加速度探头加速度探头 压电超能传感器压电超能传感器 Xian Jiaotong University问答题：问答题： 1 什么叫压电晶体的居里点？什么叫压电晶体的居里点？ 2 什么是正压电效应？什么是逆压电效应？什么是正压电效应？什么是逆压电效应？3 压电式传感器的测量电路中为什么要加入前置放大器？压电式传感器的测量电路中为什么要加入前置放大器？电荷放大器有何特点？电荷放大器有何特点？ 4 试说明为什么不能用压电传感器测量变化比较缓慢的试说明为什么不能用压电传感器测量变化比较缓慢的信号？信号？ 作作 业业