第5章-压电式传感器.ppt

第5章 压电式传感器,5.1压电效应与压电材料,5.2压电式传感器的测量电路,5.3压电式传感器的常用型号,5.4压电式传感器的应用,压电式传感器是一种典型的,有源传感器,，它利用了电介质物体在外力作用下会在其表面产生电荷的原理，来完成非电量的测量，故又称为自发电式传感器或电势式传感器,5.1压电效应与压电材料,压电效应,某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。,这种现象就称为,压电效应。,人们又把这种机械能转化为电能的现象，称为,“正压电效应”,。,在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，则称为,“逆压电效应”,（电致伸缩效应）。,压电材料,明显呈现压电效应的敏感功能材料称为压电材料，压电材料能实现机电能量的相互转换，如图5-1所示。,目前应用于压电式传感器中的,压电元件材料,一般有三类。,第一类是压电晶体，如石英晶体（,SiO2,）等；,第二类是经过极化处理的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；,第三类是新型压电材料,高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯（,PVF2,）等。,5.2压电式传感器的测量电路,压电式传感器的等效电路,为了更进一步分析和更有效地使用压电式传感器，有必要引入,压电元件的等效电路。,当压电元件受力时，在电极表面就会出现电荷，且两个电极表面聚集的电荷量相等，极性相反。因此，可以把压电传感器看做是一个静电荷发生器，而压电元件在这一过程中可以看成是一个电容器其电容量Ca为,式中，S为压电元件电极面面积，m2；,d为压电元件厚度，m；,为压电材料的介电常数，F/m；,r,为压电材料的相对介电常数；,0,为真空介电常数（8.85,10,-12F/m）。,当需要压电元件输出电荷时，,可以把压电元件等效为一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路，如图,5-5,（,a,）所示。在开路状态，其输出端电荷为,当需要压电元件输出电压时，,可以把它等效成一个电压源与一个电容相串联的电压等效电路，如图,5-5,（,b,）所示。在开路状态，其输出端电压为,（a）电荷等效电路 （b）电压等效电路,图5-5 压电元件等效电路,工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Cc、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。,如图5-6所示为压电传感器测试系统完整的等效电路。,（a）电荷等效电路 （b）电压等效电路,图 5-6 实际等效电路,压电式传感器的测量电路,由于压电式传感器本身的内阻抗很高，输出能量较小，因此它的测量电路通常需要,接入一个高输入阻抗的前置放大器。,其作用为：,把它的高输入阻抗（一般1 000 M,以上）变换为低输出阻抗（小于,100,）；对传感器输出的微弱信号进行放大。,根据压电式传感器的两种等效方式可知，压电式传感器的输出可以是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有,两种形式：电压放大器和电荷放大器。,1电荷放大器,在略去压电式传感器的泄漏电阻Ra和放大器输入电阻Ri两个并联电阻（理想情况下二者都为无穷大），将压电式传感器等效电容Ca、连接电缆的等效电容Cc、放大器输入电容Ci，合并为电容C后，电荷放大器等效电路如图5-7所示。它由一个反馈电容Cf和高增益运算放人器构成，图中A为运算放大器，它的增益为K。Rf的作用是为了稳定直流工作点，减小零点漂移，一般取Rf,10,9,。,由于运算放大器的输入阻抗很高，其输入端几乎没有分流，当工作频率足够高时时，1/Rf 1（通常K=104106），满足（1+K）Cf10（Ca+Cc+Ci）时就可将上式近似为,由此可见：,1）放大器的输入阻抗极高，输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压UCf（反馈电容两端的电压）接近于放大器的输出电压。,2）电荷放大器的输出电压UO，与电缆电容Cc无关，而与q成正比，这是电荷放大器的突出优点。由于q与被测压力成线性关系，因此，输出电压与被测压力成线性关系。,2电压放大器,电压放大器的原理及等效电路如图5-8所示，其中Ui为放大器输入电压。将图中的Ra，Ri并联成为等效电阻R，将CC与Ci并联为等效电容C，于是有,如果压电元件受正弦力的作用，则所产生的电荷为,对应的电压为,式中，d压电系数；,压电元件输出电压的幅值,由此可得放大器输入端的电压Ui的复数形式,于是可得放大器输入电压的幅值Uim为,输入电压与作用力间的相位差为,可得放大器的输入电压幅值为,上式表明：,理想情况下，前置放大器输人电压与频率无关。,为了扩展频带的低频段，必须提高同路的时间常数R（Ca+Cc+Ci）。如果单靠增大测量回路电容量的方法将影响传感器的灵敏度，因此常采用Ri很大的前置放大器。,般认为,/,1,3时就可认为Uim与,无关，这也表明压电传感器有很好的高频响应特性，但当作用力为静态力（即,=0,）时，前置放大器的输入电压为0，电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，实际上外力作用于压电材料上产生电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，但这实际上是不可能的，因此，压电式传感器不能用于测量静态量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适合于动态测量。,5.3压电式传感器的常用型号,由于压电元件的可逆特性，因此压电式传感器是一种典型的“,双向传感器,”。,它具有,结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等特点。,在测试技术中压电元件是典型的力敏元件，可以检测最终能够转换为力的物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等领域中广泛应用了压电式传感器。,5.4压电式传感器的应用,由于压电式传感器是一个典型的机电转换元件，它在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波器、压电引信、煤气点火具等方面的应用已很普遍。,例如，,利用正压电效应已研制有压电电源、煤气炉和汽车发动机的自动点火装置等多种压电发生器。,利用逆压电效应可以制成超声波发生器和压电扬声器，,利用正、逆压电效应可制成压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器和声纳等。,下面介绍了几个压电式传感器的,应用实例,。,1.压电式加速度传感器,压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座和外壳组成。,测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器与被测物体一起受到冲击振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小，因此，质量块与传感器基座感受到相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即质量块有一个正比于加速度的交变力作用于压电片上:,f=ma,因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。输出电量由传感器的输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度。如要测量试件的振动速度或位移，可考虑在放大器后加入适当的积分电路。,2压电式报警器,BS-D2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。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合。,BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形如图5-10（a）所示，其内部结构如图5-10（b）所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V，内阻抗为15 k20 k。,报警器的电路原理框图如图5-11所示。使用时把传感器贴在玻璃上，然后通过电缆和,报警电路相连。,3表面粗糙度测试仪,在制造业广泛存在加工零件的表面粗糙度测量，图5-12是表面粗糙度测试仪的工作原理示意图，,当表面较粗糙时，零件的表面就不太平整，,当触针在零件表面移动时，会使压电晶体产生压电效应，输出电信号，,通过对电信号幅值的分析，就可以知道零件的表面粗糙度。,4压电式力传感器,根据压电效应，压电式传感器可以直接用于实现,力电,转换，影响这种,转换效果,的主要因素包括：,压电材料的选取、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。,压电元件的,变形方式,以利用纵向压电效应的厚度变形最为方便；,压电,材料的选择,取决于待测力的量值大小（数量级）、对测量误差的要求、工作环境温度等；,晶片数目,的选取通常是使用机械串联、电气并联的两片压电片，因为机械上串联数目过多会导致传感器抗侧向干扰能力的降低，而机械上并联的片数增多会导致对传感器加工精度的要求过高，并给安装带来困难，而传感器的电压输出灵敏度并不增大,压电式单向测力传感器的结构如图5-13所示。它主要由,石英晶片、绝缘套、电极、上盖和基座,等组成。,传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为,0.1,0.5mm,，,当受外力作用时，它将产生弹性形变，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,d,11,实现力,电转换。,绝缘套用于绝缘和定位。,基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖以及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求。,石英晶片的尺寸为,81mm,。该传感器的测力范围是,0,50 N,，最小分辨率为,0.01 N,，绝缘阻抗为,2,l,014n,固有频率为,50,60 kHz,，非线性误差小于,+1,，整个传感器重为,10g,。,5压电式刀具切削力测量仪,图5-14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，特别适合测量剧烈的载荷。,图中压电陶瓷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，,传感器将其转换为电信号输出，,记录下电信号的变化便测得切削力的变化。,6桥墩水下部位裂纹探测,铁路、公路桥梁的桥墩检测对保证交通安全非常重要。但是桥墩水下和地表以下部位的缺陷一般很难直接发现，那么可以放置一水箱于桥墩之上，通过在水箱中用放电炮的方式，使桥墩承受一垂直方向的激励，用压电加速度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行阻抗变换和适调放大后送入数据记录仪，再将记录下的信号进行频谱分析，就可以准确判定桥墩甚至是堤坝等大型建筑的内部缺陷。,本章小结,1压电式传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应工作的。某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力和拉力而使之变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当将外力去掉后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象就称为压电效应。反之，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形；当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，则称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。,2目前应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有三类。第类是压电晶体，如石英晶体等；第二类是经过极化处理的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；第三类是高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯（PVF2）等。石英晶体的缺点是压电常数较小，因此，它大多只用在标准传感器、高精度传感器或使用温度较高的传感器中。而在一般要求测量用的压电式传感器中，基本上采用压电陶瓷。,本章小结,3压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。为了更进一步分析和更有效地使用压电元件，有必要引入压电元件的等效电路，通常分为电荷等效电路和电压等效电路。由于压电式传感器本身的内阻抗很高，输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。压电式传感器不能用于测量静态量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适合于动态测量。,4由于压电元件的可逆特性，因此压电式传感器是一种典型的“双向传感器”。它具有结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等特点。在测试技术中压电元件是典型的力敏元件，可以检测最终能够转换为力的物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等。因此，在声学、力学、医学和宇航等领域中广泛应用了压电式传感器。,5介绍了部分压电式传感器的型号、性能指标、适用范围以及典型压电式传感器的应用，以供参考。,