压电式传感器ppt.pptx

第第6章章压电式传感器压电式传感器本章的主要内容有本章的主要内容有1.压电式传感器的结构原理；压电式传感器的结构原理；2.压电式传感器的测量电路；压电式传感器的测量电路；3.压电式传感器的典型应用；压电式传感器的典型应用；通过学习应掌握压电式传感器的性能特点及通过学习应掌握压电式传感器的性能特点及其基本应用方法。其基本应用方法。压压电电式式传传感感器器是是以以某某些些晶晶体体受受力力后后在在其其表表面面产产生生电电荷荷的的压压电电效效应应为为转转换换原原理理的的传传感感器器。它它可可以以测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的各各种种物物理理量量，例例如如力力、压力、加速度等。压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。应用越来越广泛。6.1基本原理分析基本原理分析6.1.1压电效应压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。6.1.2石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图化硅单晶，属于六角晶系。图6.1.1是天然石英晶体的是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：轴：Z轴又称光轴它与晶体的纵轴线方向一致；轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。从从晶晶体体上上沿沿XYZXYZ轴轴线线切切下下一一片片平平行行六六面面体体的的薄薄片片称称为为晶晶体体切切片片。当当沿沿着着X X轴轴对对压压电电晶晶片片施施加加力力时时，将将在在垂垂直直于于X X轴轴的的表表面面上上产产生生电电荷荷，这这种种现现象象称称为为纵纵向向压压电电效效应应。沿沿着着y y轴轴施施加加力力的的作作用用时时，电电荷荷仍仍出出现现在在与与X X轴轴垂垂直直的的表表面面上上，这这称称之之为为横横向向压压电电效效应应。当当沿沿着着Z Z轴轴方方向向受受力时不产生压电效应。力时不产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为纵向压电效应产生的电荷为 q qxxxxd dxxxxF Fx x 横向压电效应产生的电荷为横向压电效应产生的电荷为根据石英晶体的对称条件根据石英晶体的对称条件dXY=dXX，所以所以由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。荷极性是相反的。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。石石英英晶晶体体的的每每一一个个晶晶体体单单元元中中，有有三三个个硅硅离离子子和和六六个个氧氧离离子子，正正负负离离子子分分布布在在正正六六边边形形的的顶顶角角上上，如如下下图图所所示示。当当作作用用力力为为零零时时，正正负负电电荷荷相相互互平平衡衡，所所以以外部没有带电现象外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡而受力后破坏了平衡,就带电了。就带电了。6.1.3压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压压电电陶陶瓷瓷在在一一定定的的温温度度条条件件下下，对对压压电电陶陶瓷瓷进进行行极极化化处处理理，即即以以强强电电场场使使电电畴畴规规则则排排列列，这这时时压压电电陶陶瓷瓷就就具具有有了了压压电电性性，在在极极化化电电场场去去除除后后，电电畴畴基基本本上上保保持持不不变，留下了很强的剩余极化，如下图所示。变，留下了很强的剩余极化，如下图所示。对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上轴的表面上将会出现电荷，下左图将会出现电荷，下左图，其电荷量其电荷量q与作用力与作用力F成正成正比，即：比即：q=dzzF，下右图为：，下右图为：6.2压电材料及压电元件的结构压电材料及压电元件的结构6.2.1压电材料压电材料压电材料一般应考虑以下主要特性：压电材料一般应考虑以下主要特性：1)1)具有较大的压电常数。具有较大的压电常数。2)2)压压电电元元件件的的机机械械强强度度高高、刚刚度度大大并并具具有有较较高高的的固固有振动频率。有振动频率。3)3)具有高的电阻率和较大的介电常数。具有高的电阻率和较大的介电常数。4)4)具具有有较较高高的的居居里里点点。居居里里点点高高可可以以得得到到较较宽宽的的工工作温度范围。作温度范围。5)5)压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。1.石英晶体石英晶体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养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石英晶体化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电、系英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电、系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573，即，即到到573时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。所代替。2.2.水溶性压电晶体水溶性压电晶体 这这类类压压电电晶晶体体有有酒酒石石酸酸钾钾钠钠(NaKCNaKC4 4H H4 4O O6 64H20)4H20)、硫硫酸酸锂锂(LiLi2 2SOSO4 4H H2 2O)O)、磷磷酸酸二二氢氢钾钾(KHKH2 2POPO4 4)等等。水水溶溶性性压压电电晶晶体体具具有有较较高高的的压压电电灵灵敏敏度度和和介介电电常常数数，但但易易于于受受潮潮，机机械械强强度度也也较较低低，只只适适用用于于室室温温和和湿湿度度低低的环境下。的环境下。3.3.铌酸锂晶体铌酸锂晶体 铌铌酸酸锂锂是是一一种种透透明明单单晶晶，熔熔点点为为12501250，居居里里点点为为12101210。它它具具有有良良好好的的压压电电性性能能和和时时间间稳稳定定性性，在耐高温传感器上有广泛的前途。在耐高温传感器上有广泛的前途。4.4.压电陶瓷压电陶瓷 这这是是一一种种应应用用最最普普遍遍的的压压电电材材料料，压压电电陶陶瓷瓷具具有有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。1)1)钛钛酸酸钡钡压压电电陶陶瓷瓷 钛钛酸酸钡钡(BaTiOBaTiO3 3)是是由由BaCOBaCO3 3和和TiOTiO2 2二二者者在在高高温温下下合合成成的的。具具有有较较高高的的压压电电系系数数和和介介电电常常数数。但但它它的的居居里里点点较较低低，为为120120，此此外外机机械械强强度度不不如石英。如石英。2)2)锆锆钛钛酸酸铅铅系系压压电电陶陶瓷瓷(PZT)PZT)锆锆钛钛酸酸铅铅是是PbTiOPbTiO3 3和和PbZrOPbZrO3 3组组成成的的固固溶溶体体Pb(ZrPb(ZrTi)OTi)O2 2。它它具具有有较较高高的的压压电系数和居里点电系数和居里点(300(300以上以上)。3)铌铌酸酸盐盐系系压压电电陶陶瓷瓷钽钽铌铌酸酸铅铅具具有有很很高高的的居居里里点点和和较较低低的的介介电电常常数数。铌铌酸酸钾钾的的居居里里点点为为435C，常常用用于水声传感器中。于水声传感器中。4)4)铌铌镁镁酸酸铅铅压压电电陶陶瓷瓷(PMN)PMN)这这是是一一种种由由Pb(MgNb)OPb(MgNb)O3 3、PbTiOPbTiO3 3、PbZrOPbZrO3 3组组成成的的三三元元系系陶陶瓷瓷。它它具具有有较较高高的的压压 电电系系数数和和居居里里点点，能能够够在在较较高高的的压压力力下工作，适合作为高温下的力传感器。下工作，适合作为高温下的力传感器。5.压电半导体压电半导体有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaSGaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。6.2.1.6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，有一定的压电性能，这就是高分子压电薄膜。目前出现的有一定的压电性能，这就是高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯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。这是一种柔软的压电等。这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。材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。6.2.2压电元件的结构型式压电元件的结构型式 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如下图所示。图下图所示。图a为并联为并联接法，其输出电容接法，其输出电容C为单片的为单片的n倍，即倍，即C=nC，U=U，Q=nQ。图中图中b为串联接法，为串联接法，这时有这时有QQ，U=nU，C=C/n。a)b)a)b)在在以以上上两两种种联联接接方方式式中中，并并联联接接法法输输出出电电荷荷大大，本本身身电电容容大大，因因此此时时间间常常数数也也大大，适适用用于于测测量量缓缓变变信信号号，并并以以电电荷荷量量作作为为输输出出的的场场合合。串串联联接接法法输输出出电电压压高高，本本身身电电容容小小，适适用用于于以以电电压压作作为为输输出出量量以以及及测测量量电电路路输输入入阻抗很高的场合。阻抗很高的场合。压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。6.3测量电路测量电路6.3.1等效电路等效电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为 式式中中，0 0为为真真空空介介电电常常数数：为为压压电电材材料料的的相相对对介介电电常数；常数；h h为压电元件的厚度；为压电元件的厚度；A A为压电元件极板面积。为压电元件极板面积。因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如下图联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为所示，也可以等效为个电压源个电压源，如下图，如下图b所示。所示。压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容电容C，放大器的输入电阻放大器的输入电阻Ri和输入电容和输入电容Ci以及传感器以及传感器的泄漏电阻的泄漏电阻Ra。a)a)电荷源电荷源 b)b)电压源电压源 6.3.2基本测量电路基本测量电路压压电电传传感感器器的的内内阻阻抗抗很很高高，而而输输出出的的信信号号微微弱弱，因因此此一一般般不不能能直直接接显显示示和和记记录录。压压电电传传感感器器要要求求测测量量电电路路的的前前级级输输入入端端要要有有足足够够高高的的阻阻抗抗，这这样样才才能能防防止止电电荷荷迅迅速速泄泄漏漏而而使使测测量量误误差差变变大大。压压电电传传感感器器的的前前置置放放大大器器有有两两个个用用：一一是是把把传传感感器器的的高高阻阻抗抗输输出出变变换换为为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。1.1.电压放大器电压放大器 压压电电传传感感器器接接电电压压放放大大器器的的等等效效电电路路如如下下图图a a所所示示。图图b b是是简简化化后后的的等等效效电电路路，其其中中，u ui i为为放放大大器器输输入入电电压压；C C=C CC C+C Ci i；u ua a=Q Q/C Ca a。如如果果压压电电传传感感器器受受力力为为:F F=F Fm msinsint t；则则在在压压电电元元件件上上产生的电压为产生的电压为 a)b)a)b)而在放大器输入端形成的电压为而在放大器输入端形成的电压为当当1时，放大器的输入电压为时，放大器的输入电压为6.3.2.2 6.3.2.2 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。图6.3.4是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中C，为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。图图6.3.4 6.3.4 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路 (6-3-6)如果忽略电阻如果忽略电阻Ra、Ri及及Rf的影响，则输入到放大器的影响，则输入到放大器的电荷量为：的电荷量为：Qi=Q-Qf式中，式中，A为开环放大系数。所以有为开环放大系数。所以有故放大器的输出电压为故放大器的输出电压为当当A1，而而(1+A)Cf时，放大器输出电压可以表示时，放大器输出电压可以表示为为 由式中可以看出，由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度为 (6-3-7)放大器的输出灵敏度取决于Cf。在实际电路中，是采用切换运算放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的。Cf越小则放大器的灵敏度越高。为了放大器的工作稳定，减小零漂，在反馈电容Cf两端并联了一反馈电阻，形成直流负反馈，用以稳定放大器的直流工作点。6.4压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。感器、振动传感器等等。6.4.15100系列压电式力传感器系列压电式力传感器航天航天702所所研制生产的所所研制生产的5100系列力传感器，是一系列力传感器，是一种利用石英晶体的纵向压电效应，将种利用石英晶体的纵向压电效应，将“力力”转换成转换成“电荷电荷”并通过二次仪表转换成电压的压电式力传感器。并通过二次仪表转换成电压的压电式力传感器。它具有气密性好、硬度高、刚度大、动态响应快等优它具有气密性好、硬度高、刚度大、动态响应快等优点。目前，点。目前，5110、5112、5114和和5115力传感器已组成力传感器已组成各种锤头（钢、铝、尼龙、橡胶）型测力锤，可以测各种锤头（钢、铝、尼龙、橡胶）型测力锤，可以测量动态力、准静态力和冲击力。量动态力、准静态力和冲击力。6.4.2电荷型石英压力传感器电荷型石英压力传感器 西安宇恒电子有限公司生产的西安宇恒电子有限公司生产的M112系列为发动机系列为发动机燃烧传感器，适用于发动机汽缸内压力测试。燃烧传感器，适用于发动机汽缸内压力测试。M119系系列为高频、抗高冲击型，特别适用于榴弹炮、液体发列为高频、抗高冲击型，特别适用于榴弹炮、液体发射药武器的测试。是典型的军工产品，也可广泛应用射药武器的测试。是典型的军工产品，也可广泛应用于民用工业中，如发动机燃烧室压力测量等领域，性于民用工业中，如发动机燃烧室压力测量等领域，性能参数见书上表能参数见书上表6-2所示。所示。6.4.3压电式加速度传感器压电式加速度传感器1.YD1.YD型压电式加速度传感器型压电式加速度传感器 压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它的主要优点是；灵敏度高、体积小、重量轻、它的主要优点是；灵敏度高、体积小、重量轻、测量频率上限较高、动态范围大。但它易受外界测量频率上限较高、动态范围大。但它易受外界干扰，在测试前需进行各种校验。如厂的干扰，在测试前需进行各种校验。如厂的YD型压型压电式加速度传感器就是典型的一种其外形如下图电式加速度传感器就是典型的一种其外形如下图2所示，有端面和侧面引出两种基本形式，它主要所示，有端面和侧面引出两种基本形式，它主要用于各种机械振动的测量。用于各种机械振动的测量。2.2.61006100系列压电加速度计系列压电加速度计 压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。测量振动、冲击等信号。其外形见下图主要性能其外形见下图主要性能指标见表指标见表6-46-4。3.HZ-95083.HZ-9508型测振表型测振表 HZ-9508 HZ-9508型测振表是用于旋转机械进行振动测量、型测振表是用于旋转机械进行振动测量、简易故障诊断的一种便携式数字显示测振表，用简易故障诊断的一种便携式数字显示测振表，用YDYD型压型压电式加速度传感器作为表头。它除了可测量一般机械振电式加速度传感器作为表头。它除了可测量一般机械振动产生的加速度、速度、位动产生的加速度速度、位移等参数外，还具有测量移等参数外，还具有测量齿轮、轴承故障产生的高频齿轮、轴承故障产生的高频加速度值的功能，并具有低加速度值的功能，并具有低电压监测功能。其外形结构电压监测功能。其外形结构如右图所示。如右图所示。主要参数如下：主要参数如下：1）测量范围：）测量范围：位移：位移：11999m（峰峰峰值）；速度：峰值）；速度：0.1199.9mm/S（有效值）；有效值）；加速度：加速度：0.1199.9m/S2（峰值）；高频加速度：峰值）；高频加速度：0.1199.9m/S2（峰值）；峰值）；精度：测量值的精度：测量值的5%（允许（允许2误差）；误差）；2）频率范围：）频率范围：位移：位移：10Hz1000Hz；速度：速度：10Hz1000Hz；加加速度：速度：10Hz1000Hz；高频加速度：高频加速度：1KHz15KHz；3）显示：三位半液晶显示显示：三位半液晶显示4）保持功能：当按住保持键时，显示振动值停止）保持功能：当按住保持键时，显示振动值停止变动变动5）输出信号：满量程为）输出信号：满量程为2VAC(峰值峰值)信号信号6）工作环境条件：温度：）工作环境条件：温度：050；湿度：；湿度：95%PH以下；以下；7）外形尺寸：）外形尺寸：1307025（mm）。）。小结：小结：本章主要分析了压电式传感器的工作原理，介本章主要分析了压电式传感器的工作原理，介绍了压电式传感器常用的压电材料，详细说明了常绍了压电式传感器常用的压电材料，详细说明了常用的各种压电式传感器的型号构成及其在力、位移、用的各种压电式传感器的型号构成及其在力、位移、振动及加速度中的应用。振动及加速度中的应用。思考题思考题 1 1一一压压电电式式传传感感器器的的灵灵敏敏度度K K1 110pC10pCMPaMPa，连连接接灵灵敏敏度度K K2 2=0.008V=0.008VpCpC的的电电放放大大器器，所所用用的的笔笔式式记记录录仪仪的的灵灵敏敏度度K K3 3=25mm=25mmV V，当当压压力力变变化化p p=8MPa=8MPa时时，记记录录笔笔在在记记录录纸纸上上的偏移为多少的偏移为多少?2某加速度计的校准振动台，它能作某加速度计的校准振动台，它能作50Hz和和1g的振动，的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K100mVg，由由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍，电压放大器放大倍数为数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V，试画出标试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。