压电式传感器分析.pptx

,#,山东理工大学机械学院,第六章 压电式传感器,传 感 器,机械工程学院仪器系,李云雷,Tel:[phone],办公室：新实验楼,427,第六章 压电式传感器,压电式传感器基于某些物质的,压电效应,工作，是一种发电式传感器（无源传感器）。,压电效应可逆，故压电式传感器是一种,“,双向传感器,”,。,优点：,响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻、体积小。,缺点：,无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料工作温度在,250,左右。,第一节 压电效应与压电元件,1,、压电效应,正压电效应：,某些电介质，当沿着,一定方向,对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的,一定表面,上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。,逆压电效应：,当在电介质的,极化方向,施加电场，这些电介质就在,一定方向,上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,压电方程,（,1,）直观表达式：,局限性：本方程式仅适用于一定尺寸的压电元件。,（,2,）一般表达式：,几点说明：,下角标,i,、,j,：,i=1,、,2,、,3,，表示晶体的极化方向；,j=1,、,2,、,3,、,4,、,5,、,6,，,分别表示沿,x,轴、,y,轴、,z,轴方向的单向应力和围绕,x,轴、,y,轴、,z,轴作用的剪切应力。,应力符号规定：,单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切应力的符号用右螺旋定则确定。图,6,2b,表示其正向。,需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定,d,ij,的符号，使得方程组具有更普遍的意义。,当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。,（,3,）晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度计算：,各参数含义：,q,1,、,q,2,、,q,3,垂直于,x,轴、,y,轴、,z,轴的平面上的电荷面密度；,1,、,2,、,3,沿着,x,轴、,y,轴、,z,轴的单向应力；,4,、,5,、,6,围绕,x,轴、,y,轴、,z,轴的剪切应力；,这样，压电材料的压电特性可以用它的,压电常数矩阵,表示如下：,补充说明：,压电常数,d,ij,的物理意义是指在,“,短路条件,”,下，单位应力产生的电荷密度。,“,短路条件,”,是指压电元件的表面电荷从一产生就立即被引开，因而在晶体形变上不存在,“,二次效应,”,。,二、压电材料,明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。,压电式传感器属于物性型，故选用,合适的压电材料,是设计高性能传感器的关键。,压电材料选择的具体要求：,转换性能。,要求具有较大压电常数。,机械性能。,压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。,电性能。,希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。,环境适应性强。,温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。,时间稳定性。,要求压电性能不随时间变化。,1,、单晶体,石英晶体种类：,天然石英和人造石英。,石英晶体外形：,镜像对称，理想外形具有,30,个晶面。如图,6,3a,。,石英晶体的晶体轴,（右手直角坐标系表示）,X,轴，相邻柱面内夹角的等分线，垂直于此轴的面压电效应最强，又称,电轴,；,Y,轴，垂直于六边形对边的轴线，又称,机械轴,，在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；,Z,轴，垂直于,X,、,Y,轴的纵轴，此方向无压电效应，可用光学方法确定，又称,光轴,。,术语：,纵向压电效应：,在,1,作用下产生电荷的压电效应；,横向压电效应：,在,2,作用下产生电荷的压电效应。,石英晶体的切割方法：,X,切和,Y,切。,X,切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行,X,轴，长度平行,Y,轴，宽度平行于,Z,轴，以此原始位置旋转出来的切型；,Y,切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行,Y,轴，长度平行,X,轴，宽度平行于,Z,轴，以此原始位置旋转出来的切型；,石英晶体的特点：,（,1,）石英晶体的介电、压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度很宽的传感器。压电常数与温度关系如图,6,5,。,术语,居里点：,石英压电常数,d,在常温几乎不随温度变化，但当温度超过,500,时，急剧下降，达到,573,时，石英晶体失去压电特性，该温度称其居里点或倒转温度。,（,2,）石英晶体的机械强度很高，可承受约,10,8,Pa,的压力；在冲击力作用下漂移很小；弹性系数大。可测大量程的力和加速度。,（,3,）天然石英稳定性好，但资源少。一般用于校准用的标准传感器或精度很高的传感器。,铌酸锂晶体：,时间稳定性远强于压电陶瓷，居里点高达,1200,，适于做高温传感器。但其各向异性明显，比石英脆，耐冲击性差。,2,、多晶体,压电陶瓷：,压电陶瓷是人工多晶体压电材料。压电陶瓷在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理后具有压电效应，其电荷密度,q,与应力,的关系,q=d,33,d,33,纵向压电常数。其极化方向定为,Z,轴。,其中，,BaTiO,3,压电陶瓷的独立压电常数只有三个，其压电常数矩阵如下：,压电陶瓷的制作工艺：,原材料粉碎；,成型；,高温烧结得到多晶导电体；,人工极化。,人工极化过程：,原始压电陶瓷无压电性，烧结后有自发的电偶极距形成的“电畴”，但其在原始材料中无序排列，极化能力相互抵消。将这些小电畴置于,20,30kv/cm,的强化电场放,2,3,小时，极性转到接近电场方向。此时，铁电陶瓷具有压电效应。,主要压电陶瓷材料：,（,1,）钛酸钡压电陶瓷,钛酸钡（,BaTiO,3,）是由碳酸钡（,BaCO,3,）和二氧化钛（,TiO,2,）按,1,：,1,分子比例在高温下合成的压电陶瓷。,它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的,50,倍）。不足之处是居里温度低（,120,），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,（,2,）锆钛酸铅系压电陶瓷（,PZT,）,锆钛酸铅是由,PbTiO,3,和,PbZrO,3,组成的固溶体,Pb,（,Zr,、,Ti,）,O,3,。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在,300,以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。,（,3,）铌镁酸铅压电陶瓷（,PMN,）,在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的,PZT,材料，如铌镁酸铅压电陶瓷（,PMN,）。,石英晶体的压电常数矩阵：,压电陶瓷的压电常数矩阵：,3,、有机压电薄膜,压电特性并不是很好，但易于大批量生产，且具有,面积大、柔软不易破碎,等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。其中以,聚偏二氟乙烯（,PVDF,）,最为著名。,常用压电材料的主要性能指标见下表。,淄博宇海电子陶瓷有限公司,等效电路与测量电路,一、等效电路,压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，故可构成一个电容器。,q,q,电极,压电元件,C,a,电容量计算式：,压电元件受外力作用，两表面产生等量正、负电荷，其开路电压为：,结论,：压电传感器可等效为一个电荷源,Q,和一个电容器,C,a,的,并联电路,，如图,6,9(,a,),；也可等效为电压源,U,和一个电容器,C,a,的,串联电路,，如图,6,9(,b,),。其中，,R,a,为压电元件的漏电阻。,C,a,R,a,C,c,R,i,C,i,Q,电荷等效电路,C,a,R,a,C,c,R,i,C,i,U,电压等效电路,注意事项,：如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑,连接电缆的等效电容,前置放大器的输入电阻,、,输入电容,。,术语：,压电式传感器的灵敏度,电压灵敏度,k,u,：单位力产生的电压；,电荷灵敏度,k,q,：单位力产生的电荷。,二、测量电路,压电式传感器本身的内阻很高,(,R,a,10,10,),，而输出的能量信号又非常微弱，因此它的信号调理电路通常需要一个高输入阻抗的,前置放大器,。,前置放大器的作用：,一是放大压电元件的微弱信号；,二是阻抗变换（把压电式传感器的高输出阻抗变换成低输出阻抗）。,前置放大器的形式,：,一种是电压放大器，其输出电压与输入电压,(,压电元件的输出电压,),成正比；,一种是电荷放大器，其输出电压与传感器的输出电荷成正比。,1,、电压放大器,将图,6,9b,的电压等效电路接到放大倍数为,A,的运放，再简化可得电压放大电路。,A,A,C,a,C,a,R,a,R,i,C,i,C,c,C,R,U,i,U,o,U,o,U,(,a,),(,b,),U,a,等效电阻,R,为：,压电元件所受作用力：,C,=,C,c,+,C,i,等效电容为：,F,m,作用力的幅值,若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为,d,33,，则在外力作用下，压电元件产生的电压值为,U,m,电压幅值,放大器输入端的电压,u,i,，其复数形式为,U,i,的幅值,U,im,为,输入电压与作用力之间的相位差为,=0,，电压幅值为零，不能用于静态测量。,当,时，放大器输入端电压幅值为,传感器的电压灵敏度为,结论：,因电缆电容及放大器输入电容的存在，灵敏度减小。如果更换电缆，电缆电容变化，灵敏度变化。因此，如果要改变电缆长度，必须重新对灵敏度校正。,相对幅频特性计算：,电压放大器特点分析：,（,1,）高频响应好；,（,2,）要扩展低频端，应使时间常数,增大。但不能靠增加测量回路的电容，电阻的增加也是不容易的。,（,3,）电缆不能太长，但可设计成一体化传感器，即放大器置入传感器内部。,2,、电荷放大器,电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图,a,所示，,C,F,、,R,F,为反馈电路参数。此处运用,导纳,运算。,C,F,、,R,F,等效到,A,的输入端时，电容,C,F,和电导,G,F,都增大,(1,A,),倍。所以图中,A,C,a,U,o,a,）基本电路图,i,R,a,Q,C,F,R,F,U,i,A,G,a,C,F,U,o,U,i,Q,C,a,C,c,C,i,G,i,G,F,b,）等效电路图,若再考虑,C,c,、,C,i,、,R,i,，则电荷放大器的等效电路图如,b,所示。输出电压,讨论：,（,1,）当,A,足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出,。输出电压只决定于输入电荷,Q,及反馈回路的参数,C,F,和,R,F,。,（,2,）当工作频率很高（,即被测量为高频信号,），由于,G,F,C,F,则,可见输出电压,U,o,与,A,也无关，只取决于,Q,和,C,F,。,（,3,）当工作频率很低,(,即被测量为低频信号,），,G,F,与,C,F,相当，此时,电压幅值为,上式表明：输出电压不仅与表面电荷,Q,有关，并且与参数,C,F,、,R,F,和,有关，而与开环增益,A,无关。且,越小，,G,F,项越重要。当,G,F,C,F,时，有,可见这是,截止频率点的输出电压,，增益下降,3dB,时对应的下限截止频率为,电压,U,o,与电荷,Q,的相位差为,小结：,（,1,）低频时电荷放大器的频率响应仅决定于反馈电路参数,R,F,和,C,F,其中,C,F,的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下限截止频率,f,L,时,反馈电阻,R,F,值也可确定。如当,C,F,=1000pF,f,L,=0.16Hz,时,则要求,R,F,10,9,。,（,2,）电荷放大器工作频带上限取决于：运算放大器的频率响应；电缆长度（但影响较小）。,（,3,）电荷放大器允许使用很长电缆，且电容变化不影响灵敏度；但价格高，电路复杂，调整困难。,LC0602,电荷放大器,第三节 压电式传感器的应用举例,特点：,压电式传感器的高频响应好；若配备合适的电荷放大器，低频段可低至,0.3Hz,。常用来测量动态参数，如振动、加速度等。,一、压电式加速度传感器,1,、单端中心压缩式,组成：质量块,1,、双压电晶体片,2,、引线,3,、底座,4,。,公式：,Q,dF,dma,2,、梁式,特点：采用压电晶体弯曲变形方案，可测较小的加速度，灵敏度高，,频率下限低,。如地壳、建筑物的振动。,3,、挑担剪切式,压电元件只承受剪切力，可以有效削弱瞬变温度引起的热释电效应。测量冲击和轻型板、小元件的振动。,100,系列通用型压电加速度传感器,（上海北智技术有限公司）,二、压电式测力传感器,1,、单向压电测力传感器,石英晶片：,纵向压电效应；采用,X,零度切型（,即晶片面与,X,轴垂直的切割，或者说晶片厚度沿,X,轴方向，长度沿,Y,轴方向,）；取电荷的电极为与,X,轴垂直的上下底面，晶片尺寸为,81,毫米，许用压力,1510,5,Pa,；量程几,kN,10,5,kN,时，输出并联受力为串联型。,上盖（盖板）：传力元件，它的变形壁的厚度只有,0.1,0.5,毫米；,金属基座,绝缘环：聚四氟材料；,焊缝：电子束焊接。,2,、三向压电测力传感器,基本结构同单向测力传感器；,压电元件由三对不同切型的石英片组成，中间一对由于具有纵向压电效应，可以测得主切削力,P,z,；另外两对具有切向效应，方向互成,90,，可以测量径向力,P,y,与进给力,P,x,。,当空间任何方向的力作用在传感器上时，便能自动的分解成三个互相垂直的分力。,电子束焊接,X,Z,Y,q,1,=d,11,1,X,Z,Y,q,2,=d,26,6,X,Z,Y,q,2,=d,26,6,三、,PVDF,压电薄膜,PVDF,，有机高分子敏感材料，聚偏二氟乙烯，具有很强压电特性。,主要优点：,高的压电灵敏度，比石英高十多倍；,频响宽，,10,-5,-5*10,8,Hz,；,韧性和加工性能好，易切割，易制成大面积元件和阵列元件；,声阻抗与水和人体肌肉接近，可作水听器和医用传感元件。,应用：,PVDF,血压传感器：圆柱体纵切形状，与上腕部动脉沟吻合，使用方便。,机器人触觉传感器：同时具有压电效应和热释电效应，薄膜柔软，做成大面积传感阵列器件。,256,个圆形传感器组成，,16*16,平面矩阵,四、集成化压电传感器,组成：压电传感器微型前置放大器（前端阻抗变换器、高低通滤波器、积分器、输出放大器、过载保护等电路）,优点：简化测试系统，省去电荷放大器；普通电缆传输信号；低阻抗输出。,缺点：需要附加供电线路，温度受内装电子线路影响。,