工学第讲压电式传感器.pptx

第6章 压电式传感器压电传感器是典型的无源传感器。又称自发电式传感器及电势式传感器。压电传感器的工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。特点：体积小、重量轻、结构简单、工作可靠；适合动态力学测量，不能测量静态量。目前多用于加速度和动态力学或压力的测量。压电传感器是一个机电转换元件。应用：拾音器、压电引信、燃气点火具。压电式传感器6.1 压电效应及压电材料一、压电效应一些晶体结构的材料，当沿着一定方向受到外力作用时，内部产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；而当外力去掉后，又恢复不带电的状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变。压电传感器晶体受作用力产生的电荷量与外力的大小成正比，这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应。反之，如果给晶体施加以交变电场，晶体本身则产生机械变形，这种现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。压电效应具有可逆性。压电材料具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机电能量的相互转换。在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱，随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等材料是性能优良的压电材料。压电材料分为：压电晶体、压电陶瓷、高聚物和复合材料（压电陶瓷和高聚物复合）。高分子材料压电传感器高分子材料聚偏氟乙烯（PVF2）具有压电特性。特点：压电系数大，频率响应宽，机械强度好，质量轻，耐冲击。应用：压电薄膜制成的称重传感器；高分子压电薄膜制成机器人触觉敏感元件。压电材料的主要特性参数（1）压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。压电材料的主要特性参数（4）机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻：压电材料的绝缘电阻将减小电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度。一、石英晶体（SiO2）优点：绝缘性能好，机械强度高；压电温度系数小，居里温度点高；缺点：资源少，价格较贵；压电系数低。只在标准传感或精度要求较高的传感器中使用。Z光轴X电轴Y机械轴石英晶体是一个正六面体，各个方向的特性是不同的。纵向压电效应：纵向压电效应：沿电轴沿电轴X方向施加力的作用产生方向施加力的作用产生的压电效应称为纵向压电效应。的压电效应称为纵向压电效应。横向压电效应：横向压电效应：沿机械轴沿机械轴Y方向施加力的作用产方向施加力的作用产生的压电效应称为横向压电效应。生的压电效应称为横向压电效应。d11-x方向受力的压电系数；d12-y方向受力的压电系数；当石英晶体不受力时，正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零。P1+P2+P3=0.当受到X方向的压力作用时，P1减小，P2,P3增大，在X轴正方向出现负电荷；当受到Y方向的压力作用时，P1增大，P2,P3减小，在X轴正方向出现正电荷。二、压电陶瓷是一种人工制造的多晶压电材料，它由无数个细微的单晶组成。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。必须对压电陶瓷进行极化处理，在陶瓷上施加外电场。在压电传感器中多采用钛酸钡及锆钛酸铅压电陶瓷作为压电元件。电荷量与外力的关系：d33压电陶瓷的压电系数。钛酸钡的压电系数是石英的50倍，但居里温度点只有115，使用温度不超过70，温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅，居里温度点300，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。压电陶瓷可以按受力和变形的不同形式制成各种形状的压电元件。三、压电式传感器压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应，当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷输出。为了提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件组合使用：并联和串联。并联使用时，电荷量增加一倍，电容量也增加一倍，输出电压不变，适合测量慢变信号并以电荷作为输出的场合；串联使用时，电荷量不变，电容量减小一半，输出电压增大一倍，适用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。6.2 压电式传感器的测量电路一、压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为：压电元件的等效电路二、压电传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此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：（1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；（2）放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。压电传感器的测量电路1.电压放大器就可以认为Uim与频率无关，0表示测量电路时间常数的倒数。当时，结论：结论：压电传感器具有很好的高频响应，但当作用于压电元件压电传感器具有很好的高频响应，但当作用于压电元件的力为静态力时，前置放大器的输入电压等于零，因为电荷会的力为静态力时，前置放大器的输入电压等于零，因为电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。感器不能用于静态力的测量。2.电荷放大器由运算放大器的特性，可求出电荷放大器的输出：当（1+A）CfCa+Cc+Ci时，电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关，电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关，且与且与q成正比，因此通常与压电传感器配合使用。成正比，因此通常与压电传感器配合使用。6.3 压电式传感器的应用一、压电式测力传感器测力范围；050N，重10g.最小分辨率为：0.01N.二、压电式加速度传感器压电传感器的固有频率当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷与作用力成正比。当a=g(重力加速度）时得到的电荷 Q 值，称为灵敏度。固有频率：其中k=EA/l，E，A，l 分别是压电晶体的杨氏模量、电极面面积和晶片厚度。二、压电式加速度传感器的几种结构有压缩式、剪切式和弯曲式三种：压缩式结构简单，装配较方便，也最常见；剪切式灵敏度高，能减小基座应变的影响，容易小型化，频响范围宽，适于测量高频振动。但装配较为困难；弯曲式固有频率低，灵敏度高，适于低频测量。缺点是体积大，机械强度较前两种差。见图6-15三、金属加工切削力的测量四、玻璃破碎报警器BS-D2压电式玻璃破碎传感器压电式玻璃破碎报警器电路框图五、压电引信六、煤气灶电子点火器6.4 声表面波传感器（SAW）声表面波（Surface Acoustic Wave)是英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波过程中发现的一种能量集中于地表面传播的声波。1965年，美国的 R.M.White 和 F.M.Voltmov 发明了在压电材料表面激励 SAW 的金属叉指换能器(简写IDT-InterDigit Transducer)之后，大大加速了声表面波技术的发展，相继出现了许多各具持色的 SAW 器件。6.4.1 SAW传感器的基本原理一般是使待测量作用于SAW 的传播路径，引起SAW 的传播速度发生变化，从而使振荡频率发生变化，通过频率的变化来检测被测量。1.SAW IDT其基本结构形式如图 6.1 所示。IDT 由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成。这些电极条互相交叉配置，两端由汇流条连在一起。它的形状如同交叉平放的两排手指，故称为叉指电极。电极宽度a和间距相等的IDT称均匀(或非色散)IDT。叉图 6.1 IDT 的基本结构指周期 T2(a+b)。两相邻电极构成一电极对，其相互重叠的长度为有效指长，即称换能器的孔径，记为W。若换能器的各电极对重叠长度相等，则叫等孔径(等指长)转能器。1DT 既可用作发射换能器，用来激励SAW，又可作接收换能器，用来接收SAW，因而这类换能器是可逆的。在发射 IDT 上施加适当频率的交流电信号后，压电基片内所出现的电场分布如图 6.2 所示。该电场可分解为垂直与水平两个分量(Ev 和 Eh)。由于基片的逆压电效应，这个电场使指条电极间的材料发生形变(使质点发生位移)，Eh 使质点产生平行于表面的压缩图 6.2 IDT 下某一瞬间的电场分布(膨胀)位移，Ev 则产生垂直于表面的切变位移。这种周期性的应变就产生沿 IDT 两侧表面传播出去的 SAW，其频率等于所施加电信号的频率。一侧无用的波可用一种高损耗介质吸收，另一侧的 SAW 传播至接收 IDT，借助于正压电效应将 SAW 转换为电信号输出。SAW 传感器分为两类：延迟型（也称振荡器）和谐振型。2.SAW 振荡器它由一组 SAW 发射、接收 IDT 和反馈放大器组成，如图 6.3 所示。图 6.3 SAW 振荡器 收 发3.SAW 谐振器（SAWR）它由IDT 和栅格反射器组成，如图 6.4 所示。6.4.2 SAW 压力传感器图6.5 SAW 压力传感器示意图图6.6 SAW 压力传感器压力敏感流程图6.4.3 SAW 热敏传感器它是利用 SAW 振荡器的振荡频率随温度变化的原理制成。把频率作为温度的函数展开，有：f(T)=f(T0)+1+a0(T-T0)+b0(T-T0)2+通过选择合适的单晶切型，使上式中的一阶温度系数 a0 尽可能大，而二阶温度系数 b0 尽可能小。不用热传导而用热辐射也可以制成另一种类型的 SAW 辐射热敏传感器。它用SAW振荡器作为热敏元件。当待测物体放射的红外线辐射到SAW 传播的路径上时，SAW 波速发生变化，从而导致振荡频率改变。6.4.4 SAW 气敏传感器图6.7 SAW 气敏传感器结构示意图SAW 气敏传感器的敏感机理随吸附膜的不同而不同。当薄膜是绝缘材料时，它吸附气体引起密度的变化，进而引起 SAW 振荡器振荡频率改变；当薄膜是导体或金属氧化物半导体时，则主要是电导率的变化引起 SAW 振荡器振荡频率的改变。目前使用的吸附膜主要有三乙醇胺（敏感 SO2）、Pd 膜（敏感 H2）、WO3（敏感 H2S)、酞箐膜（敏感 NO2）等。6.4.5 SAW 电力传感器当电场作用于SAW 传播的路径上时，压电基片将发生应变，使延迟时间发生变化。在一定范围内，此变化与施加电压呈线性关系，即可构成电位-频率转换器。还有一种电流传感器：在 SAW 延迟线中间安装一个随输入电流而发热的电阻，它和放大器、移相器一起构成振荡电路。传感器的输入电流引起 SAW 传播路径上温度上升，从而导致振荡频率改变。6.4.6 SAW 加速度传感器声表面波加速度传感器的工作机理 当外界加速度作用到敏感质量上，根据牛顿第二定律：P ma，由敏感质量将加速度转换成力作用到悬臂梁或膜片上，从而使梁或膜片上各处的应力发生变化。如若在梁或膜片上制备有 SAW 谐振器，那么，应力的变化会改变SAW的传播速度，从而改变SAW 振荡器的谐振频率。外界加速度越大，谐振频率变化就越大。通过频率的测量，就可以知道外界加速度的大小。6.4.6 SAW 加速度传感器图6.8 悬臂梁式 SAW 加速度传感器结构示意图6.4.7 SAW 流量传感器流量测量的方法很多。传统的节流式流量计，椭圆齿轮流量计和涡轮流量计等，虽然简单，但一般精度较低，体积大，而且要在流体流动的管道中设置一定的节流元件，这样就会造成压力损失，其至会出现堵塞或卡死现象；超声流量计和多普勒流量计虽然不在管道中设置任何元件，然而与之相应的检测电路部分却相当复杂，成本也高。近年来，基于硅半导体和其他固态器件的微型流量传感器的研究正在兴起，其中有代表性的有热丝风速计、硅微机械桥式流量传感器和SAW 流量传感器。热丝风速计的响应很快，广泛地用于测定紊流和流速的分布。硅微机械桥式流量传感器是电压或电流模拟量输出，而SAW流量传感器则是准数字-频率输出，频率测量精度高，动态范围宽，是一种很有发展前途的新型流量传感器。SAW 流量传感器的工作机理 图6-9是SAW 流量传感器的原理示意图。其核心是 SAW 延迟线型振荡器。在两个又指换能器(1DT)之间设置有加热元件，将基片加热至高于环境温度的某一温度值。当有流体经基体表面时，带走部分热量，从而降低了基片的温度，使延迟器件的延迟时间发生变化，进而引起 SAW 振荡器振荡频率的偏移。通过检测SAW 振荡器输出频率的变化来测量流体流速的大小，进而计算出流量的大小。图6.9 SAW 流量传感器结构示意图