传感器与检测技术第06章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,06,章 压电式传感器,6.1,压电效应,6.2,压电材料,6.3,等效电路,6.4,测量电路,6.5,压电式传感器的应用举例,6.6,影响压电式传感器精度的因素分析,压电式传感器的工作原理是基于压电材料的压电效应。,电式传感器是一种有源的双向机电传感器。,石英晶体的压电效应早在,1680,年即已发现，,1948,年制作出第一个石英传感器。,优点：,压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等,应用：,由于与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。,一、压电效应,正压电效应,（,顺压电效应,）,：,某些电介质（,晶体或多晶陶瓷,），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。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。,逆压电效应,（电致伸缩效应）：,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,6.1,压电效应,晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。,压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的；在电声和超声工程中也有利用逆压电效应制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态有以下几种基本形式：,由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。,6.1.1,石英晶体的压电效应,石英晶体的外形和晶轴：,天然石英晶体的结构外形,石英晶体的坐标系,石英转换元件外形,（一）石英晶体的压电效应,天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴,Z,Z,称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的,X,X,轴称为电轴；与,X,X,轴和,Z,Z,轴同时垂直的,Y,Y,轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。,通常把沿电轴,X,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,Y,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,Z,Z,方向受力则不产生压电效应。,石英晶体压电效应示意图：,石英晶体受力方向与电荷极性的关系：,石英晶体的压电效应情况：,无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；,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；,石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的，例如,Z,轴就无压电效应。,6.1.2,压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷的极化过程和压电原理图：,6.1.3,高分子材料的压电效应,聚偏氟乙烯的压电效应：,6.1.4,压电方程与压电常数,压电元件受力,F,与表面产生的电荷,Q,之间的关系：,Q=,dijF,Dij,中的,ij,含义（,P111),压电常数（矩阵）是正确选择力电转换元件、转换类型、转换效率以及晶片几何切片型的重要依据，因此合理而灵活地运用压电常数矩阵是保证压电传感器正确设计的关键。,式中,d,是压电常数,矩阵,6.2,压电材料,选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下五个方面：,转换性能,：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；,机械性能,：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；,电性能,：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；,温度和湿度稳定性要好,：具有较高的居里点、以期望得到宽的工作温度范围；,时间稳定性,：压电特性不随时间蜕变。,以下是几种常见的压电材料,：,1,石英晶体,石英（,SiO2,）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,；,石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于,标准仪器,或要求,较高的传感器,中。,2,、钛酸钡压电陶瓷,钛酸钡（,BaTiO3,）是由碳酸钡（,BaCO3,）和二氧化钛（,TiO2,）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。,3,锆钛酸铅系压电陶瓷（,PZT,）,锆钛酸铅是由,PbTiO3,和,PbZrO3,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。此外，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。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,4,、,聚二氟乙烯,聚二氟乙烯（,PVF,2,）是目前发现的压电效应较强的,聚合物薄膜,，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有,“,平面锯齿,”,结构，存在抵消不了的,偶极子,。经延展和拉伸后可以使分子,链轴,成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生,自发极化偶极子,。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料,(,PVF,2,PZT,),。,6.3,等效电路,压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。,而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：,式中：,s-,极板面积；,r-,压电材料相对介电常数；,o,-,真空介电常数；,-,压电元件厚度。,当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷,Q,，压电元件的开路电压,(,认为其负载电阻为无穷大,?)U,为：,由此，可以把压电元件等效为一个电压源,U,和一个电容器,Ca,串联的等效电路；同时也等效为一个电荷源,Q,和一个电容器,Ca,并联的等效电路。,Q,C,a,U,U,Q/C,a,Q,UC,a,C,a,（,a,）电压等效电路 （,b,）电荷等效电路,压电传感器等效原理,工作时压电元件存在漏电阻,R,a,，与二次仪表配套使用时，存在连接电缆电容,C,c,、放大器的输入电阻,R,i,和输入电容,C,i,等。等效电路如下：,压电式传感器的灵敏度表示单位力产生的电压，或者是单位力产生的电荷；即电压灵敏度,k,u,和电荷灵敏度,kq,。,根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：,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。,电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。,6.4,测量电路,6.4.1,电压放大器,电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。,6.4.2,电荷放大器,由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器。电荷放大器的等效电路图如下：,电荷放大器的原理框图如下：,6.5,压电式传感器的应用举例,压电元件是一种典型的力敏感元件。可用来测量最终能转换为力的多种物理量。,在检测技术中，常用来测量力和加速度。,压电元件直接成为力,电转换元件的关键的选取合适的压电材料、变形方式、机械上串联或并联的晶片数、晶片的几何尺寸和合理的传力结构。显然，压电元件的变形方式以利用纵向压电效应的厚度变形为最方便。,需要指出：,电压放大测量电路：连接电线不宜太长，而且不能随意更换电缆。微型、集成技术的发展有利于克服该缺点。,电荷放大测量电路：虽允许使用很长的电缆，且电容,C,c,变化不影响灵敏度，但成本高电路复杂，调整较困难。,6.5.1,压电式测力传感器,压电式单向测力传感器,测量均布压力的压电式传感器,消除振动加速度影响的压电式压力传感器,6.5.2,压电式加速度传感器,6.6.1,非线性,压电传感器的幅值线性度是指被测物理量,(,如力、压力、加速度等,),的增加，其灵敏度的变化程度。,主要影响因素有：,1,压电转换元件的弹性极限和线性响应极限；,2,压电加速度传感器的额定预载荷极限。,6.6,影响压电式传感器精度的因素分析,6.6.2,横向灵敏度,压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向,(,轴向灵敏度方向,),垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示，称为横向灵敏度比。,理想情况：横向灵敏度应该为零；对于一支较好的压电加速度传感器，最大横向灵敏度比应不大于,5%,。,产生原因：机械加工精度不够；装配精度不够；装配过程中净化条件不够，灰尘、杂质等污染了传感器零件，超载严重；压电元件自身存在缺陷等。,6.6.3,环境温度的影响,环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影响的程度也不同。当温度低于,400,时，其压电常数和介电常数都很稳定。,为适应在高温环境下工作，除压电材料外，连接电缆也是一个重要的部件。目前，在高温传感器中大多采用无机绝缘电缆和含有无机绝缘材料的柔性电缆。,6.6.4,湿度的影响,环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。,6.6.5,电缆噪声,为了减小这种噪声。可使用特制的低噪声电缆，同时将电缆固紧，以免产生相对运动。,6.6.6,接地回路噪声,在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪声。防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地。而且选择指示器的输入端为接地点。,影响压电式传感器精度除以上分析的几个因素外，还存在有声场效应、磁场效应及射频场效应、基座应变效应等因素。,