第6章压电式传感器.pptx

1 1压电式传感器1 压电效应压电效应2 压电材料压电材料3 等效电路等效电路4 测量电路测量电路5 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例6 影响压电式传感器精度的因素分析影响压电式传感器精度的因素分析本章要点本章要点4手动开关手动开关气阀气阀高压线高压线燃烧盘燃烧盘点火针点火针压电晶体压电晶体气源气源煤气灶电子点火器煤气灶电子点火器7 7绪论 压电传感器是一种典型的发电型传感器，以压压电传感器是一种典型的发电型传感器，以压电材料电材料(晶体晶体)的的压电效应压电效应为基础，在外力作用下在为基础，在外力作用下在晶体表面产生电荷，从而实现非电量测量，压电晶体表面产生电荷，从而实现非电量测量，压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。广泛的应用。压电加压电加速度传速度传感器感器动态压动态压力传感力传感器器压电器件压电器件受力、表面形变受力、表面形变电荷电荷8 8正压电效应：正压电效应：某些晶体或多晶陶瓷，当沿着某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向一定方向对其施力对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上某两个表面上产产生电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方生电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。晶体受力所产生的电荷量与向改变时，电荷极性也随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应，习惯上称为正压外力的大小成正比，这种现象称为压电效应，习惯上称为正压电效应。电效应。1.概念：压电效应概念：压电效应9 96.1 压电效应逆压电效应逆压电效应：当在晶体的一定方向上施加电场，晶体本身产生机械变当在晶体的一定方向上施加电场，晶体本身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。（电致伸缩效应）失的现象。（电致伸缩效应）压电介质压电介质正压电效应正压电效应电能电能机械能机械能逆压电效应逆压电效应压电效应具有压电效应具有“双向性双向性”压电传感器压电传感器-“双向双向”有源传感器有源传感器10106.1 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 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输出电压的频率与动态力的频率相同。出电压的频率与动态力的频率相同。当力作用在晶片时，在当力作用在晶片时，在上下表面产生电荷。上下表面产生电荷。随着作用力的减小，积随着作用力的减小，积累电荷数减少。累电荷数减少。当动态力变为静态力时，当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。很快泄漏、消失。11116.1 压电效应压电效应能量转换的几种基本形式压电效应能量转换的几种基本形式厚度受压型长度受压型12121 压电效应厚度切变型平面切变型厚度切变型体积受压型13131 压电效应石英晶体石英晶体(单晶体单晶体)ZYX纵向轴纵向轴Z称为称为光轴光轴经经过过正正六六面面体体棱棱线线，并并垂垂直直于于光光轴轴的的X轴轴称称为为电电轴轴。与与 X轴轴 和和 Z轴轴同同时时垂垂直直的的Y轴轴（垂垂直直于于正正六六面面体体的的棱棱面面）称为称为机械轴机械轴。ZXY 石英晶体属于单晶体，化学式石英晶体属于单晶体，化学式为为SiO2,外形结构呈棱柱正六面体外形结构呈棱柱正六面体,沿各方向特征不同。沿各方向特征不同。1.1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应14外形结构外形结构外形结构外形结构n光轴（基准轴，光轴（基准轴，Z轴）轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应。该方向没有压电效应。n电轴（电轴（X轴）轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最显著。应最显著。n机械轴（机械轴（Y轴）轴）：垂直：垂直XZ面，在电场作用下，该轴方向的机面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最大。械变形最大。15156.1 压电效应天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形1.1 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应16161 压电效应天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形17176.1 压电效应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186.1 压电效应按特定方向切片按特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶19196.1 压电效应石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）晶振晶振 石英晶体在振荡电路石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。产生稳定的振荡输出频率。20206.1 压电效应纵向压电效应纵向压电效应沿沿X方向方向(电轴电轴)施加施加正应力正应力时，在垂时，在垂直于直于X轴方向产生电荷。轴方向产生电荷。横向压电效应横向压电效应沿沿Y方向方向施加正应力时，在垂直于施加正应力时，在垂直于X轴方向产生电荷。轴方向产生电荷。沿沿Z方向的方向的(光轴光轴)的力作用的力作用时不产生压电效应。时不产生压电效应。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。2121代表代表Si4+代表代表O2-六方晶系，每个晶六方晶系，每个晶体单元中有三个硅体单元中有三个硅离子和六个氧离子，离子和六个氧离子，在在Z平面上的投影平面上的投影等效为正六边形排等效为正六边形排列列22226.1 压电效应电偶极矩电偶极矩p=ql,q为电荷量为电荷量,l为正负电荷之间距离，为正负电荷之间距离，矢量方向从负电荷指向正电荷。矢量方向从负电荷指向正电荷。23236.1 压电效应正、负离子正好分布在正正、负离子正好分布在正六边形的顶角上六边形的顶角上,形成三个形成三个互成互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩p1、p2、p3。此时正负电荷。此时正负电荷重心重合重心重合,电偶极矩的矢量电偶极矩的矢量和等于零和等于零,即即p1+p2+p3=0,所以晶体表面不产生电荷所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。即呈中性。a）石英晶体未受外力作用）石英晶体未受外力作用24246.1 压电效应b）受到）受到X方向的压力方向的压力纵向压电效应纵向压电效应晶体沿晶体沿X方向将产生压缩变形方向将产生压缩变形,正负离正负离子的相对位置也随之变动。子的相对位置也随之变动。此时正负电此时正负电荷重心不再重合。荷重心不再重合。电偶极矩在电偶极矩在X方向上的分量由于方向上的分量由于p1的减的减小和小和p2、p3的增加而大于零的增加而大于零,在在X轴的正轴的正方向出现正电荷方向出现正电荷,电偶极矩在电偶极矩在Y、Z方向方向上的分量仍为零上的分量仍为零,不出现电荷。不出现电荷。当作用力方向相反时当作用力方向相反时,电荷的极性也随电荷的极性也随之改变。之改变。25256.1 压电效应c）受到）受到Y方向的压力方向的压力横向压电效应横向压电效应当晶体受到沿当晶体受到沿Y轴方向的压力作用轴方向的压力作用时时,p1增大增大,p2、p3 减小。减小。在垂直在垂直X轴表面上出现电荷轴表面上出现电荷,它的它的极性为极性为X轴正向为负电荷。轴正向为负电荷。在在Y轴轴方向上不出现电荷。方向上不出现电荷。当作用力方向相反时当作用力方向相反时,电荷的极性电荷的极性也随之改变。也随之改变。26266.1 压电效应d）受到）受到Z方向的力方向的力没有压电效应产生没有压电效应产生如果沿如果沿Z轴方向施加作用力轴方向施加作用力,因因为晶体在为晶体在X方向和方向和Y方向所产方向所产生的形变完全相同生的形变完全相同,所以正负所以正负电荷重心保持重合电荷重心保持重合,电偶极矩电偶极矩矢量和等于零。这表明沿矢量和等于零。这表明沿Z轴轴方向施加作用力方向施加作用力,晶体不会产晶体不会产生压电效应生压电效应。27276.1 压电效应石英晶体压电模型石英晶体压电模型石英晶体压电模型石英晶体压电模型29压电方程：压电方程：压电效应可用压电方程来表示：压电效应可用压电方程来表示：Q=dFd-一定方向的力，在相应表面产生电荷的系数，一定方向的力，在相应表面产生电荷的系数，通用方程：通用方程：i=1、2、3，表示晶体的极化方向电荷面，表示晶体的极化方向电荷面的轴向即产生电荷的表面垂直的轴向即产生电荷的表面垂直xyzj=1、2、3施加力的方向，表示沿施加力的方向，表示沿xyz轴轴方向的作用的单向应力，拉为正方向的作用的单向应力，拉为正j=4、5、6施加力的方向，表示垂直施加力的方向，表示垂直xyz轴轴的平面内作用的剪切力的平面内作用的剪切力xyz12345630压电常数矩阵压电常数矩阵石英晶体的压电常数矩阵石英晶体的压电常数矩阵沿沿Z轴方向施加单向应力时，在任何面上都不会产生电荷轴方向施加单向应力时，在任何面上都不会产生电荷无论在哪个方向受力，都不会在垂直无论在哪个方向受力，都不会在垂直Z轴平面上产生电荷轴平面上产生电荷在沿在沿x、y轴方向加单向应力时，在垂直轴方向加单向应力时，在垂直y轴平面上不会产生电荷轴平面上不会产生电荷同理可以分析剪切力的情况同理可以分析剪切力的情况31316.1 压电效应电荷符号与受力方向的关系电荷符号与受力方向的关系结结论论：无无论论是是正正或或逆逆压压电电效效应应，其其作作用用力力（或或应应变变）与与电电荷荷（或或电电场场强强度度）之之间间呈呈线线性性关关系系；晶晶体体在在哪哪个个方方向向上上有有正正压压电电效效应应，则则在在此此方方向向上上一一定定存存在在逆逆压压电电效效应应；石石英英晶晶体体不不是是在在任任何何方方向向都都存存在在压压电电效效应应的的。根根据据d dijij大小，可以确定在哪个方向上压电效应最显著大小，可以确定在哪个方向上压电效应最显著 3232动画演示动画演示动画演示动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示石英晶体压电模型动画演示33331 压电效应1.2 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工合成的，经过极化处理后的多晶铁电体。压电陶瓷是人工合成的，经过极化处理后的多晶铁电体。烧制后的原始陶瓷分子自发形成的区域，分子自发形成的区域，有一定的极性，存在有一定的极性，存在一定电场一定电场电畴在一定温度下施加强直流电场，迫使电畴趋向在一定温度下施加强直流电场，迫使电畴趋向外电场方向做规则排列，电场去掉后，趋向电外电场方向做规则排列，电场去掉后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，呈现畴基本保持不变，形成很强的剩余极化，呈现出压电特性出压电特性34346.1 压电效应n压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体压电材料，而后者是单晶体。体压电材料，而后者是单晶体。n材料内部的晶粒有许多自发极化的材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴电畴，它有一定它有一定的极化方向。压电陶瓷在未进行极化处理时，电畴的极化方向。压电陶瓷在未进行极化处理时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质，不具有压电效应；瓷呈中性，不具有压电性质，不具有压电效应；n经过强电场极化处理后，它的经过强电场极化处理后，它的压电效应非常明显压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。35356.1 压电效应36366.1 压电效应 晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：电荷密度：电荷密度：电荷密度：电荷密度：d d3333压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数，d d3333 比比d d1111、d d1212大的多，大的多，大的多，大的多，所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高 37376.2 压电材料钛酸钡毛坯和晶体钛酸钡毛坯和晶体38382 压电材料 选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑：键。一般应考虑：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。机械性能：机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强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度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。频率。电性能：电性能：希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外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。部分布电容的影响并获得良好的低频特性。环境适应性强：环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较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。高的居里点，获得较宽的工作温度范围。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。2.1 压电材料的选取39396.2 压电材料在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573时，时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，机械强度和稳定的机械性能。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。准仪器或要求较高的传感器中。石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体40406.2 压电材料 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。英晶体。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。41416.2 压电材料压电陶瓷主要有以下几种：压电陶瓷主要有以下几种：1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛）和二氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。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（约为石英晶体的晶体的50倍）。不足之处是倍）。不足之处是居里点温度低居里点温度低（120），），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。温度稳定性和机械强度不如石英晶体。压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷42426.2 压电材料2)2)锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb（ZrTi）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在居里点温度在300以上，各项机电参数受温度影响以上，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可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压材料。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电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。料。43436.2 压电材料1)1)压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料压电半导体材料有压电半导体材料有ZnO、CdS、ZnS、CdTe等，这等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。温度等参数。新型压电材料新型压电材料新型压电材料新型压电材料44446.2 压电材料2)2)高分子压电材料高分子压电材料高分子压电材料高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯、聚氯乙烯PVC、聚、聚甲基甲基-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMG等。等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。可以大量生产和制成较大的面积。6.3 等效电路3 等效电路等效电路压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器视为两极板上聚集异性电荷，中间传感器视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的为绝缘体的电容器电容器。电容量为电容量为 ：故可把压电传感器故可把压电传感器看成一个电荷源与看成一个电荷源与一个电容并联的电一个电容并联的电荷发生器。荷发生器。6.3 等效电路当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为：电压，其大小为：电压，其大小为：电压，其大小为：因此，压电传感器还可以等效为电压源因此，压电传感器还可以等效为电压源U和一个电容和一个电容器器Ca的串联电路，如图的串联电路，如图(c)。47476.3 等效电路如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑则应考虑连线的等效电容连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。前置放大器的输入电阻、输入电容。CaRaCcRiCiQ压电传感器的压电传感器的完整等效电路完整等效电路Ca 传感器的固有电容传感器的固有电容Ra 传感器的漏电阻传感器的漏电阻Cc 连线等效电容连线等效电容Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容Ri 前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻测量测量仪器仪器前置前置放大放大传感器传感器 压电传感器压电传感器简单测量系统简单测量系统48486.3 等效电路实际电压源等效电路实际电压源等效电路 CaRaCcRiCiQ实际电荷源等效电路实际电荷源等效电路 压电片本身的内阻很高，输出能量小，需接高输压电片本身的内阻很高，输出能量小，需接高输入阻抗的前置放大器入阻抗的前置放大器。49496.3 等效电路（1）压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。放大压电式传感器输出的弱信号。（2）前置放大器形式：前置放大器形式：电荷放大器：电荷放大器：把压电元件高内阻的电荷源变为传把压电元件高内阻的电荷源变为传感器低内阻的电压源，使其输出电压与输入电荷成感器低内阻的电压源，使其输出电压与输入电荷成正比；正比；电压放大器电压放大器:其输出电压与输入电压（传感器其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；输出电压灵敏度受分布电的输出电压）成正比；输出电压灵敏度受分布电容的影响；容的影响；51511、电压放大器、电压放大器ACQuiuRACaRaCcRiCiQi52521、电压放大器、电压放大器Ui的幅值的幅值相相 位位ACQuiuRACaRaCcRiCiQi53536.4 测量电路Ui的幅值的幅值 =0，作用在压电元件上的力是静态力，则，作用在压电元件上的力是静态力，则Uim=0理想情况下，理想情况下，R为无限大，为无限大，因而因而放大器输入电压幅值为：放大器输入电压幅值为：说明：理想的情况下前置放大器输入电压与频率无关说明：理想的情况下前置放大器输入电压与频率无关什么情什么情况？况？5454 令令=RC，为测量回路的时间常数，并令为测量回路的时间常数，并令1=1/，则可得，则可得:00901.0UimUm0.51234电压幅值比和相角与频率比的关系曲线6.4 测量电路讨论：讨论：u 压电传感器不能测量静态物理量；压电传感器不能测量静态物理量；u 当当/13时时输输入入与与信信号号频频率率无无关关，高高频频响响应应特特性性好，好，优点优点；u 提提高高低低频频响响应应的的办办法法是是增增大大，但但不不能能靠靠增增加加输输入入电电容容Ca，因因为为电电压压灵灵敏敏度度与与电电容容成成反反比比。实实际际是是增增大大前置输入回路电阻前置输入回路电阻Ri。58586.4 测量电路传感器电压灵敏度传感器电压灵敏度:当当R1时，时，电缆电容传感器的固有电容放大器的输入电容6.4 测量电路讨论：讨论：u 压电传感器不能测量静态物理量；压电传感器不能测量静态物理量；u 当当/13时时输输入入与与信信号号频频率率无无关关，高高频频响响应应特特性性好，好，优点优点；u 提提高高低低频频响响应应的的办办法法是是增增大大，但但不不能能靠靠增增加加输输入入电电容容Ca,因因为为电电压压灵灵敏敏度度与与电电容容成成反反比比。实实际际是是增增大大前置输入回路电阻前置输入回路电阻Ri。u 从从传传感感器器电电压压灵灵敏敏度度ku可可见见，连连接接电电缆缆的的分分布布电电容容Cc影影响响传传感感器器灵灵敏敏度度，使使用用时时更更换换电电缆缆就就要要求求重重新新标标定定，测测量量系系统统对对电电缆缆长长度度变变化化很很敏敏感感，这这是是电电压压放放大大器的器的缺点缺点。61616.4 测量电路 电电电电荷荷荷荷放放放放大大大大器器器器常常常常作作作作为为为为压压压压电电电电传传传传感感感感器器器器的的的的输输输输入入入入电电电电路路路路，由由由由一一一一个个个个反反反反馈馈馈馈电电电电容容容容C CF F和和和和高高高高增增增增益益益益运运运运算算算算放放放放大大大大器器器器构构构构成成成成。由由由由于于于于运运运运算算算算放放放放大大大大器器器器输输输输入入入入阻阻阻阻抗抗抗抗极极极极高高高高，放放放放大大大大器器器器输输输输入入入入端端端端几几几几乎乎乎乎没没没没有有有有分分分分流流流流，故故故故可可可可略去略去略去略去R Ra a和和和和R Ri i并联电阻。并联电阻。并联电阻。并联电阻。式中式中式中式中 ：U UU Uo o o o放大器输出电压；放大器输出电压；放大器输出电压；放大器输出电压；U UU Uf f f f反馈电容两端电压。反馈电容两端电压。反馈电容两端电压。反馈电容两端电压。2 电荷放大器电荷放大器62626.4 测量电路2 电荷放大器电荷放大器64646.4 测量电路讨论：讨论：u 电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压UO只只取取决决于于输输入入电电荷荷Q和和反反馈馈电电容容Cf，输输出出电电压压与与电电缆缆电电容容Cc无无关关，且且与与Q成成正正比比，这这是是电电荷荷放放大大器器的的突突出出优优点点。考考虑虑不不同同量量程程因因素素Cf的的容容量量做做成可以选择的电容，一般为成可以选择的电容，一般为100104pF。u 缺缺点点是是电电路路复复杂杂，价价格格昂昂贵贵。使使用用电电荷荷放放大大器器，电电缆缆长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。长度变化影响可忽略，并且允许使用长电缆工作。65655 压电式传感器的应用举例5 压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例p 压电元件的连接压电元件的连接 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，在一起。从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。66665 压电式传感器的应用举例 图图a）从从电电路路上上看看，这这是是并并联联接接法法，类类似似两两个个电电容容的的并并联联。所所以以，外外力力作作用用下下正正负负电电极极上上的的电电荷荷量量增增加加了了1倍倍，电电容容量量也也增增加加了了1倍倍，输输出电压与单片时相同。出电压与单片时相同。图图b）从从电电路路上上看看是是串串联联的的，两两压压电电片片中中间间粘粘接接处处正正负负电电荷荷中中和和，上上、下下极极板板的的电电荷荷量量与与单单片片时时相相同同，总总电电容容量量为为单单片片的的一一半半，输输出出电电压增大了压增大了1倍。倍。压电式压力传感器压电式压力传感器 压电式压力传感器特性压电式压力传感器特性 1 1、压电式力传感器、压电式力传感器传感器上盖为传力元件传感器上盖为传力元件,当外力作当外力作用时用时,它将产生弹性变形它将产生弹性变形,将力传将力传递到石英晶片上。递到石英晶片上。6.5 压电式传感器的应用举例压力P作用膜片，压电元件表面产生电荷6.5 压电式传感器的应用举例1）行驶中称重）行驶中称重：在美国、巴西、德国、日本和韩在美国、巴西、德国、日本和韩国有大量应用，我国也逐渐开始应用，其主要用国有大量应用，我国也逐渐开始应用，其主要用途是途是高速公路高速公路车辆超重超载监测的预选和桥梁超车辆超重超载监测的预选和桥梁超载警告系统，即判断正在高速行驶中的车辆，尤载警告系统，即判断正在高速行驶中的车辆，尤其是驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下其是驶过桥梁的车辆是否超载，由视频系统拍下车牌号记录在案，并根据超载量罚款。车牌号记录在案，并根据超载量罚款。6.5 压电式传感器的应用举例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、（用于重要位置出入口、周界安全防护等）周界安全防护等）将长的压电电缆埋在泥土将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人可在几十米范围内探测人的步行的步行,对轮式或履带式车对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。系统的输出波形。6.5 压电式传感器的应用举例6.5 压电式传感器的应用举例6.5 压电式传感器的应用举例3)交通监测交通监测 将高分子压电电缆将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。及机场滑行道等。6.5 压电式传感器的应用举例 将两根高分子压将两根高分子压电电缆相距若干米，电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路平行埋设于柏油公路的路面下约的路面下约5cm5cm，可，可以用来测量车速及汽以用来测量车速及汽车的载重量，并根据车的载重量，并根据存储在计算机内部的存储在计算机内部的档案数据，判定汽车档案数据，判定汽车的车型。的车型。高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示6.5 压电式传感器的应用举例6.5 压电式传感器的应用举例压电传感器位于车刀前部的下方压电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工当进行切削加工时时,切削力通过刀具传给压电传感器切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器压电传感器将切削力转换为电信号输出将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化记录下电信号的变化便测得切削力的变化。便测得切削力的变化。4 4）压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量）压电式动态力传感器在车床中用于动态切削力的测量 6.5 压电式传感器的应用举例6.5 压电式传感器的应用举例6.5 压电式传感器的应用举例5）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式步态分析跑台压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿压电传感器测量双腿跳的动态力跳的动态力6.5 压电式传感器的应用举例压电式加速度传感器具有良好的频率特性，量程大，结构简压电式加速度传感器具有良好的频率特性，量程大，结构简单，使用方便。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、单，使用方便。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的压电元件受质量块惯性力的作用作用,根据牛顿第二定律根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数此惯性力是加速度的函数,即即2 2、压电式加速度传感器、压电式加速度传感器6.5 压电式传感器的应用举例6.5 压电式传感器的应用举例 将高分子压电测振将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。粘贴粘贴位置位置粘贴粘贴位置位置3 3、玻璃打碎报警装置、玻璃打碎报警装置6.5 压电式传感器的应用举例高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块将厚约将厚约0.2mm左右的左右的PVDF薄膜裁制薄膜裁制成成10 20mm大小。在它的正反两面大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再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。用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。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在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。信号。6.5 压电式传感器的应用举例压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置破甲弹破甲弹破甲弹破甲弹4 4：压电引信：压电引信5 5：飞机模态分析：飞机模态分析6 6：煤气灶电子点火器：煤气灶电子点火器6.5 压电式传感器的应用举例事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体7 7：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统88886 影响压电式传感器精度的因素分析 6.6.1非线性非线性 压电传感器的幅值线性度是指被测物理量压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、加速度如力、压力、加速度等等)的增加，其灵敏度的变化程度。的增加，其灵敏度的变化程度。6.6.2横向灵敏度横向灵敏度 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其主轴向(轴向灵敏度方向轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度振动时的灵敏度，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。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。6.6影响压电式传感器精度的因素分析影响压电式传感器精度的因素分析89896 影响压电式传感器精度的因素分析6.6.3环境温度的影响环境温度的影响 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，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。当温度低于温度影响的程度也不同。当温度低于400时，其压电常时，其压电常数和介电常数都很稳定。数和介电常数都很稳定。6.6.4湿度的影响湿度的影响 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。响应变坏。90906 影响压电式传感器精度的因素分析6.6.5电缆噪声电缆噪声 为了减小这种噪声。可使用特制的低噪声电缆，同为了减小这种噪声。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。时将电缆固紧，以免产生相对运动。6.6.6接地回路噪声接地回路噪声 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测量系统在一点接地。而且选择指示器的输入端为接地点。接地点。91916 影响压电式传感器精度的因素分析 影响压电式传感器精度除以上分析的几个因素外，还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。应等因素。9292本章小结本章小结 压电效应压电效应 压电材料压电材料 压电元件及结构形式；压电元件及结构形式；压电传感器等效电路压电传感器等效电路 测量电路测量电路 （1 1）电压放大器）电压放大器 （2 2）电荷放大器）电荷放大器 压电传感器的应用压电传感器的应用