传感器与检测技术08章压电.pptx

8.1 8.1 压电效应压电效应1.压电效应居里兄弟皮尔（P.Curie）与杰克（J.Curie）发现压电效应（piezoelectric effect）。某些电介质在机械应力作用下，产生形变，极化状态发生变化，致使表面带电，表面电荷密度与应力成正比，称为正压电效应。反之，施加外电场，介质内产生机械形变，应变与电场强度成正比，称为逆压电效应，或称作“电致伸缩效应”。石英晶体Z轴：光轴、中性轴；X轴：电轴；Y轴：机械轴为什么产生压电效应？石英晶体模型：由于离子之间造成错位，电荷的平衡关系受到破坏，产生极化现象，使表面产生电荷。压电陶瓷的极化处理石英晶体切片上电荷极性与受力方向的关系2.压电常数压电材料的性能常用压电常数来表征，式中，Q为压电元件受力产生的表面电荷，F为作用在压电元件上的力，d为压电常数。（一）正压电效应 压电常数是表征压电性能强弱的参数，不同材料具有不同的压电性能，同一材料在不同的受力方向，电荷产生的情况也不同。对于一定施力方向和一定的产生电荷表面而言，压电常数d是一个常数。，j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度（即沿i方向的极化强度）；，沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应力；，压电常数，（j方向受力，在i方向产生电荷时的压电常数）。X0切型石英晶体的压电常数矩阵，具体为:石英晶体只有 和 两个独立常数。对于左旋石英：石英：和 都是正值，数值不变。（二）逆压电效应 （k=1,2,3;h=1,2,3,4,5,6）式中，沿h方向的应变；沿k方向施加的电场。实验结论：有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应，则此方向上必有逆压电效应。逆压电效应得压电常数与正压电效应的压电常数数值是相等的，而且一一对应。一般情况下，逆压电效应中压电常数矩阵是正压电常数矩阵d的转置矩阵。压电常数的物理意义是：在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。“短路条件”是指压电元件的表面电荷一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条件。压电常数有时也称压电应变常数。3.压电材料分类常用的压电材料有：压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜和压电半导体。压电晶体：石英晶体、水溶性压电晶体、铌酸锂晶体；石英晶体中x轴常称为电轴，y轴称为机械轴，z轴称为光轴。石英晶体沿z轴方向施加外力，不产生压电效应。石英晶体的主要性能特点是：(1)压电常数小，时间和温度稳定性极好；(2)机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高，动态特性好；(3)居里点573，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷。压电陶瓷的特点是：压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能；成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中。但作压电器件应用时，这会给压电传感器造成热干扰，降低稳定性。所以，对高稳定性的传感器，压电陶瓷的应用受到限制。常用的压电陶瓷常用的压电陶瓷 传感器技术中应用的压电陶瓷，按其组成基本元素多少可分为：(1)二元系压电陶瓷 主要包括钛酸钡BaTiO3，钛酸铅PbTiO3，锆钛酸铅系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和铌酸盐系列KNbO3-PbNb2O3。其中以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系列压电陶瓷应用最广。(2)三元系压电陶瓷 目前应用的PMN，它由铌镁酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3钛酸铅PbTiO3-锆钛酸铅PbZrO3三成分配比而成。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。(3)综合性能更为优越的四元系压电陶瓷也已经研制成功。压电薄膜：氧化锌、硫化镉、硫化锌、铌酸锂等；压电半导体：硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉、砷化镓等。4.压电元件的结构形式压电元件有5种基本变形形式：厚度变形（TE方式）、长度变形（LE方式）、体积变形（VE方式）、厚度剪切变形、面剪切变形。石英晶体没有体积变形压电效应。压电片在压电式传感器中，必须有一定的预应力，以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证输出电压与作用力成线性关系。这是考虑压电片加工过程的结果。5.压电传感器的等效电路可以将压电式传感器看作一个静电电容器。因此，从性质上讲，压电器件实质上又是一个有源电容器，通常其绝缘电阻 。式中，S电容器极板面积；h压电元件厚度；压电材料的介电常数；真空的介电常数；压电材料的相对介电常数，随材料 不同而变；压电元件的内部电容。由此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源和一个电容的电荷等效电路。必须指出，上述等效电路及其输出，只有在压电器件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路(即Ra=RL=)条件下才成立。压电式传感器测试系统的等效电路8.2 8.2 测量电路测量电路1.测量电路 测量电路：电压放大器、电荷放大器 （1）电压放大器 考虑电缆长度的影响；（2）电荷放大器 不用考虑电缆的影响。单路动态信号测量两路动态信号测量电压放大器的简化电路图（1）电压放大器等效电阻等效电阻R为为Fm作用力的幅值作用力的幅值压电元件所受作用力压电元件所受作用力C=Cc+Ci而而等效电容为等效电容为若若压压电电元元件件材材料料是是压压电电陶陶瓷瓷，其其压压电电系系数数为为d33，则则在在外外力作用下，压电元件产生的电压值为力作用下，压电元件产生的电压值为 Um电压幅值电压幅值 由图由图(b)可得放大器输入端的电压可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为，其复数形式为Ui的幅值的幅值Uim为为输入电压与作用力之间的相位差输入电压与作用力之间的相位差为为令令=R(Ca+Cc+Ci)，为测量回路的时间常数，并令为测量回路的时间常数，并令0=1/，则可得，则可得可可见见，如如果果/01，即即作作用用力力变变化化频频率率与与测测量量回回路路时时间间常常数数的的乘乘积积远远大大于于1时时。前前置置放放大大器器的的输输入入电电压压Uim与与频频率率无无关关。一一般般认认为为/03，可可近近似似看看作作输输入入电电压压与与作作用用力力频频率率无无关关。这这说说明明，在在测测量量回回路路时时间间常常数数一一定定的的条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。但但是是，当当被被测测动动态态量量变变化化缓缓慢慢，而而测测量量回回路路时时间间常常数数不不大大时时，会会造造成成传传感感器器灵灵敏敏度度下下降降，因因而而要要扩扩大大工工作作频频带带的的低低频频端端，就就必必须须提提高高测测量量回回路路的的时时间间常常数数。但但是是靠靠增增大大测测量量回回路路的的电电容容来来提提高高时时间间常常数数，会会影影响响传传感感器器的的灵敏度。根据传感器电压灵敏度灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得的定义得因为因为R1，故上式可以近似为，故上式可以近似为可可见见，Ku与与回回路路电电容容成成反反比比，增增加加回回路路电电容容必必然然使使Ku下下降降。为为此此常常将将Ri很很大大的的前前置置放放大大器器接接入入回回路路。其其输输入入内内阻阻越越大大，测测量量回回路路时时间间常常数数越越大大，则则传传感感器器低低频频响响应应也也越越好好。当当改改变变连连接接传传感感器器与与前前置置放放大大器器的的电电缆缆长长度度时时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。将改变，必须重新校正灵敏度值。电压幅值比和相角频率比的关系曲线电荷放大器等效电路（2）电荷放大器 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，运运算算电电流流仅仅流流入反馈回路入反馈回路C CF F与与R RF F。由图可知。由图可知i i的表达式为：的表达式为：A0CaUUSC电荷放大器原理电路图iRaqCFRF根据上式画出等效电路图根据上式画出等效电路图A0CaRaRCUSCUqCF、RF等等效效到到A0的的输输入入端端时时，电电容容CF将将增增大大(1A0)倍倍。电电导导1RF也也增增大大了了(1A0)倍倍。所所以以图图中中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，这就是所谓，这就是所谓“密勒效应密勒效应”的结果。的结果。运放输入电压运放输入电压输出电压输出电压当当A0足足够够大大时时,传传感感器器本本身身的的电电容容和和电电缆缆长长短短将将不不影影响响电电荷荷放放大大器器的的输输出出。因因此此输输出出电电压压USC只只决决定定于于输输入入电电荷荷q及反馈回路的参数及反馈回路的参数CF和和RF。由于。由于1RFCF,则则若考虑电缆电容若考虑电缆电容Cc，则有，则有可见当可见当A0足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与A0无关，只取决于输入无关，只取决于输入电荷电荷q和反馈电容和反馈电容CF，改变，改变CF的大小便可得到所需的电的大小便可得到所需的电压输出。压输出。CF一般取值一般取值100-104pF。运运算算放放大大器器的的开开环环放放大大倍倍数数A0对对精精度度有有影影响响，当当频频率率很很高时，则高时，则及及由此得由此得A0105。对线性集成运算放大器来说，这一要求。对线性集成运算放大器来说，这一要求是不难达到的。是不难达到的。例例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)100m=105pF,当当要求要求1%时，则有时，则有则可计算产生的误差为则可计算产生的误差为当当工工作作频频率率很很低低时时，分分母母中中的的电电导导1/Ra+(1+A0)/RF与与电电纳纳jCaCc(1+A0)CF的的值值相相当当，电电导导就就不不可可忽忽略略。此时此时A0足够大，则足够大，则其幅值为其幅值为当当1/RF=CF时时可可见见这这是是截截止止频频率率点点的的输输出出电电压压，增增益益下下降降3dB时时对对应应的下限截止频率为的下限截止频率为 可见压电式传感器配用电荷放大器时可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误差和其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数截止频率只决定于反馈电路的参数RF和和CF,其中其中CF的大小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带下限截止频率fL时时,反馈电阻反馈电阻RF值也可确定。如当值也可确定。如当CF=1000pF,fL=0.16Hz时时,则要求则要求RF109。USC与与q间的相位误差间的相位误差电荷放大器原理框图2.外界温度和湿度瞬变温度对传感器的影响：除引起压电元件热释电效应外，还在传感器内部引起温度梯度，这一方面会产生热应力和寄生热电输出；另一方面也改变了预紧力和传感器的线性度。因此，在高温环境惊醒低电平信号测量时，必须采取以下措施：（1）取用剪切式、隔离基座型结构，或使用时采用隔离安装销。（2）在压电元件受热冲击的一端设置有热导率小的材料做成的绝热片；或采用由大膨胀系统材料，陶瓷及铁镍青铜组合材料制成的温度补偿片，以实现高温下的结构等膨胀匹配，克服热力影响（3）采用水流式冷却装置环境湿度主要影响压电元件的绝缘电阻，使其明显下降。因此在高湿度环境中工作的传感器，必须选用高绝缘材料，并采取防潮密封措施。3.安装差异和基座应变 实际应用中对压电传感器安装的要求依据：传感器与试件系统的安装谐振频率 传感器本身的固有频率 传感器和被测试件的质量（1）保证传感器的敏感轴向与受力向的一致性不因安装而遭到破坏，以避免横向灵敏度的产生。为此，安装接触面要求有高的平行度，平直度和低的粗糙度。（2）根据承载能力和频响特性所要求安装谐振频率，选择适当的安装方式。（3）对刚度，质量和接触面小的试件，只能用微小型电传感器测量。4.噪声（1）声噪声：压电传感器在强声中工作将受到声波振动激励而产生寄电信号输出，谓之声噪声。（2）电缆噪声：同轴电缆在振动或弯曲变形时电缆屏蔽层，绝缘层和芯线间将引起局部相对滑移摩擦和分离，而在分离层之间产生的静电感应电荷干扰，它将混入住信号中被放大。减小电缆噪声的方法：一是在使用中固定好传感器的引出电缆二是选用低噪声同轴电缆（3）接地回路噪声：压电传感器接入二次测量线路或仪表而构成测试系统后，由于不同电位处的多接地点，形成了接地回路和回路电流所致。克服途径：消除接地回路8.3 8.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用1.压电式传感器的应用 （1）压电式单向测力传感器 （2）压电式压力传感器 （3）压电式加速度传感器 （4）压电式金属加工切削力测量 （5）压电式玻璃破碎报警器 下图是压电式单向测力传感器的结构图，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其纵向压电效应，通过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为81 mm。该传感器的测力范围为050 N，最小分辨率为0.01，固有频率为5060 kHz，整个传感器重10g。（1）压电式单向测力传感器压电式压力传感器（2）压电式压力传感器消除振动加速度影响的压电式压力传感器的结构 下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并用螺栓加以固定。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作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即 F=ma 式中：F质量块产生的惯性力；m质量块的质量；a加速度。（3）压电式加速度传感器 此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为：q=d11F=d11ma 与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。压电式加速度传感器结构原理图压电加速度传感器工作原理图压电加速度传感器的幅值线性度曲线横向灵敏度图解压电加速度传感器的横向灵敏度极坐标曲线 下图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便测得切削力的变化。（4）压电式金属加工切削力测量压电陶瓷传感器测量刀具切削力 BSD2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。BSD2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路见下图所示。传感器的最小输出电压为100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为1520k。（5）压电式玻璃破碎报警器BSD2压电式玻璃破碎报警器 报警器的电路框图见下图。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。压电式玻璃破碎报警器电路框图