第3章 力学量传感器

电子科技大学 传感技术课程组 制作,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,4,章 压电式力学量传感器,1,目录,4.1,压电式传感器的工作原理,4.2,压电材料,4.3,压电式传感器的等效电路,4.4,压电式传感器的信号调节电路,4.5,压电式加速度传感器,4.6,压电式测力传感器,2,概念：当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为,压电效应,。而具有这种压电效应的物体称为,压电材料或压电元件,。,常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等,4.1,压电式传感器的工作原理,压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的,。,3,特点：,当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；,若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态；,晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；,如对晶体施加一负变电场，晶体本身将产生机械变形，这种现象称为逆压电效应,4,天然结构的,石英晶体,，它是个六角形晶柱。,在直角坐标系中,z,轴表示其纵向轴，称为光轴；,x,轴平行于正六面体的棱线，称为电轴；,y,轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。,通常把沿电轴,(x,袖,),方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；,而把沿机械轴,(y,轴,),方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；,在光轴,(z,轴,),方向受力时则不产生压电效应,5,产生压电效应的原因：,(1)x,轴上受力,如果在,x,轴方向压缩，,如图,74(b),所示，则硅离子,1,就挤入氧离子,2,和,6,之间，而氧离子,4,就挤入硅离子,3,和,5,之间。结果在表面,A,上呈现负电荷、而在表面,B,呈现正电荷。,如果所受的力为拉伸,，则硅离子,1,和氧离子,4,向外移，在表面,A,和,B,上的电荷符号就与前者正好相反。,6,产生压电效应的原因：,(2)y,轴上受力,如果沿,y,轴方向上压缩，如图,74(c),所示，硅离子,3,和氧离子,2,以及硅离子,5,和氧离子,6,都向内移动同一数值，故在电极,C,和,D,上仍不呈现电荷，而由于相对把硅离子,l,和氧离子,4,向外挤，则在,A,和,B,表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面,A,和,B,上电荷符号与前者相反。,7,产生压电效应的原因：（,3,）,在,z,轴方向受力时,在,z,轴方向受力时,，由于硅离和氧 离于是对称平移、故在表面上没有电荷呈现，因而没有压电效应。,8,压电元件在受到力作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。其计算公式如下,其中第一个角注,i,表示晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂直于,x,袖,(y,轴或,z,铀,),时，记作,i,1(,或,2,或,3),。,第二个下角注,j,1,或,2,，,3,和,4,，,5,，,6,，,分别表示在沿,x,轴、,y,轴、,z,轴方向作用的单向应力和在垂直于,x,轴、,y,轴、,z,轴的平面内,(,即,yz,平面、,xz,平面、,xy,平面,),作用的剪切力。,单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自旋转轴的正向看去使其,I,、,II,象限的对角线伸长。,压电常数和表面电荷的计算,9,10,由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意义的石英晶体变形方式有：,厚度变形,简称为,TE,方式,),，如图,(a),所示。,长度变形,(,简称,LE,方式）。如图,(b),所示，,面剪切变形,(,简称,FS,方式,),。如图,(d),所示。,厚度的切变形,(,简称,TS,方式,),。如图,(c),所示。,弯曲变形,(,简称,BS,方式,),。,体积变形,(,简称,VE,方式,),。,11,选用压电材料应考虑以下几方面：,转换性能：,具有较大的压电常数,；,机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高、刚度大、性范围和,高的固有振动频率,；,电性能；希望具有,高的电阻率和大的介电常数,，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；,温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围；,时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。,4.2,压电材料,概念：,压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料,12,石英。它是一种天然晶体，现在已有高化学纯度和结构完善的人工合成的石英晶体，压电系数,d,11,2,31,10,-12,C,N,在几百度的温度范围内，压电系数不随温度而变。,水熔性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸钾钠,，,酒石酸乙烯二铵,(,简称,EDT),，,酒石酸二钾,(,简称,DKT),，,硫酸理,属于正方晶系的有磷酸二氢钾,(,简称,KDP),，,磷酸二氢氨,(N,简称,ADP),，,砷酸二氢钾,(,简称,KDA),砷酸二氢氨,(,简称,ADA),。,压电晶体,13,钛酸钡,(BaTiO,3,),压电陶瓷。具有比较高的压电系效,(d,33,107,10,-12,C,N),和介电常数，机械强度不及石英。,锆钛酸铅系压电陶瓷,(PZT),压电系数较高,(d,33,(,200-500,),-12,C,N ),，,各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一二种微量元素，如,La,，,Nb,，,Sb,，,Sn,，,Mn,，,W,等，可以获得不同性能的,PZT,材料。,铌酸盐系压电陶瓷。,这一系中是以铁电体铌酸钾和铌酸铅为基础的,。,铌酸铅,的介电常数低。在铌酸铅中用钡或锶替代一部分铅可引起性能的根本变化，从而得到具有较高机械品质因素,Q,m,的铌酸盐压电陶瓷。,铌酸钾,是通过热压过程制成的，特点是适用于作,10-40MHz,的高频换能器。,铌镁酸铅压电陶瓷,(PMN),具有较高的压电系数,(d,33,800-900,10,-12,C,N ),，,在压力大至,700kg,cm,2,时仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。,压电陶瓷,14,压电陶瓷产生压电效应的原理,极化前，存在许多自发极化的电畴,极化中，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致,极化后，有剩余极化强度,问题：,未受压前，为何不显示带电特性？,受压后，为何显示带电特性？,15,如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力,，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负束缚电荷之间距离变小，束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度也变小，因此，原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分被释放而出现,放电现象,。,当压力撤消后，,陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大、因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现,充电现象,。这种由于机械效应转变为电效应，或者说由机械能转变为电能的现象就是压电陶瓷的正压电效应。,放电电荷的多少与外力的大小成比例关系,机理,16,17,4.3,压电式传感器的等效电路,可等效为两种形式：,电压源,电荷源,电荷等效电路,电压等效电路,18,C,C,:,连接电缆的等效电容,Ri,:,放大器的输入电阻,Ci,:,输入电容,Ca:,是传感器的电容,Ra:,是传感器的漏电阻。,19,并联,Q,2Q,，,U ,U,，,C,2C,串联,Q,Q,，,U ,2U,，,C ,C/2,20,在压电式传感器中，压电材料一般不用一片，而常常采用两片,(,或是两片以上,),粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。,在这两种接法中，,并联接法输出电荷大、本身电容大、时间常数大（？），,适宜用在测量,慢变信号,并且以,电荷作为输出量,的地方，,而串联接法输出电压大，本身电容小,，适宜用于,以电压作输出信号,，并且,测量电路输入阻抗很高,的地方。,21,4.4,压电式传感器的信号调节电路,压电式传感器要求,负载电阻,R,i,必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常在压电式传感器输出端后面，先接入一个,高输入阻抗的前置放大器,，然后再接一般的放大电路及其它电路。,压电式传感器的测量电路关键在于高阻抗的前置放大器,。,前置放大器有两个作用,，,第一是把压电式传感器的微弱信号放大；第二是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,压电式传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，所以,前置放大器也有两种,。,22,电压放大器,(,阻抗变换器）,23,写成复数形式,理想情况下，,R,很大,令,U,im,:,实际输入电压,U,am,:,实际输入电压的辐值,24,1.,当作用在压电元件上的力是,静态力,(,0),时，则前置放大器的输入电压等于零。因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。这也就从原理上决定了压电式传感器不能测量,静态物理量,；,2.,当,/,11,时，即,1,时，也就是作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大子,1,时，前置放大器的输人电压,U,im,随频率的变化不大。当,/,1,3,时，可近似看作输入电压与作用力的频率无关。这说明，压电式传感器的,高频响应,是相当好的。,它是压电式传感器的一个突出优点。,结论：,U,im,U,am,_,25,结论,:,为了扩大传感器的低频响应范围就必须尽量提高回路的时间常数。,(,时间常数与哪些因素有关,?,),但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，,因为传感器的电压灵敏度,S,v,是与电容成反比,结果是,:,为了扩大传感器的低频响应范围就必须增大输入阻抗,R,i,为此，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。,26,为了满足阻抗匹配要求，压电式传感器般都采用专门的前置放大器。,但是，压电式传感器在与阻抗变换器配合使用时，连接电缆不能太长。,电缆长，电缆电容,Cc,就大,，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低,解决电缆问题的办法是将放大器装入传感器之中，组成,一体化传感器,。,27,内部装有超小型阻抗变换器,的,压电式加速度传感器,原理：压,电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器,(,阻抗变换器,),。,这样，引线非常短，引线电容几平等于零，就避免了长电缆对传感器灵敏度的影响。,放大器的输入端可以得到较大的电压信号这就弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。,28,优点,(2),：,最为突出的是这种传感器能直接输出一个高电平、低阻抗的信号,输出电压可达几伏,),，,它可以用普通的同轴电缆输出信号，一般不需要再附加放大器，只有在测量低电平振动时，才需要再放大，并可很容易直接输至示波器、带式记录器、检流计和其它普通的指示仪表。,另一个显著的优点是，由于采用石英晶片作压电元件，,因此在很宽的温度范围内灵敏度十分稳定，而且经长期使用，性能也几乎不变。,29,电荷放大器,电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。,它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，,而且输出电压正比于输入电荷，因此，,电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用,，其输入阻抗高达,10,10,一,10,12,，,输出阻抗小于,100,使用电荷放大器突出的一个优点是，,在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度,无关。,30,电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器,图中,k,是放大器的开环增益，,(,一,k),表示放大器的输出与输入反相，若放大器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端,a,点的电位接近“地”电位。由于放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷,Q,只对反馈电容,C,f,充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即,:U,0,u,cf,=-Q/,C,f,式中：,U,0,一一放大器输出电压；,u,cf,一反馈电容两端的电压。,31,注意：,1.,C,f,容量是做成可调的范围一般在,100,一,10000PF,之间。,2.,为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，,一般在反馈电容的两端并联一个大电阻,R,(,约,10,8,一,10,10,),，,其功用是提供直流反馈。,32,4.5,压电式加速度传感器,1,工作原理,压缩式压电加速度传感器的结构原理图,压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。,在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。,33,灵敏度,提高传感器的灵敏度方法,:,增大,m,（,会影响试件的振动）,增加压电片的数目,采用合理的连接,34,压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量,M,、,弹簧和阻尼器组成的二阶单自由度系统,式中：,x,运动体的绝对位移；,x,m,质量块的绝对位移。,为此实际测量的振动频率上限一般只取传感器固有频率的,1,51,3,左右，也就是说工作在频率特性的平直段。在这一范围内，传感器的灵敏度基本上不随频率而变化。即使限制了它的测量频率范围，但由于传感器的固有频率相当高,(,一般可达,30kHz,甚至更高,),，因此，它的测量频率的上限仍可高达几千赫兹，甚至十几千赫兹。,频率特性,35,压电式加速度传感器的结构,压电元件的受力和变形常见的有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形四种。按以上四种变形方式也应当有相应的四种结构的传感器，但目前最常见的是,基于厚度变形的压缩式和基于剪切变形的剪切式,两种，前者使用更为普遍。,36,(a),为外圆配合压缩式。,它通过硬弹簧对压电元件施加预压力。,这种型式的传感器结构简单，而且灵敏度高，,但对环境的影响,(,如声学噪声、基座应变、瞬时温度冲击等,),比较敏感,这是由于其外壳本身就是弹簧一质量系统中的一个弹簧，它与起弹簧作用的压电元件并联，,由于壳体和压电元件之间这种机械上的并联连接，,因此，壳体内的任何变化都将影响到传感器的弹簧一质量系统使传感器灵敏度发生变化。,1-基座,2 -压电晶片,3 -质量块,4 -弹簧片,5 -电缆,37,(b),所示为中心配合压缩式。它具有外因配合压缩式的优点、并克服了对环境敏感的缺点。这是因为弹簧、质量块和压电元件用一根中心核牢固地固定在厚基座上，而不与外壳直接接触，外壳仅起保护作用。但这种结构仍然要受到安装表面应变的影响。,1-基座,2 -压电晶片,3 -质量块,4 -弹簧片,5 -电缆,38,(c),是倒装中心配合压缩式，由于中心柱离开基座所以避免了基座应变引起的误差。但由于壳体是质量一弹簧系统的一个组成部分，所以壳体的谐振会使传感器的谐振频率有所降低，以致减小传感器的频响范围。另外，这种形式的传感器的加工和装配也比较困难,这是它的主要缺点。,1-基座,2 -压电晶片,3 -质量块,4 -弹簧片,5 -电缆,39,剪切式加速度传感器。,它的底座向上延伸，如同一根圆柱，管式压电元件,(,极化方向平行十轴线,),套在这根圆柱上，压电元件上再套上惯性质量环。,剪切式加速度传感器的工作原理是：如传感器感受向上的振动，由于惯性力的作用使质量环保持滞后。这样，在压电元件中就出现剪切应力，使其产生剪切变形从而在压电元件的内外表面上就产生电荷，其电场方向垂直于极化方向。,1-基座,2 -压电晶片,3 -质量块,4 -弹簧片,5 -电缆,40,工作原理：利用纵向压电效应,传力元件,4.6,压电式测力传感器,41,原理：拉紧的薄壁管对晶片提供顶载力，而感受外部压力的是由扰性材料做成的很薄的膜片。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在一定的环境温度条件下，避免因温度变化造成预载力变化引起的测量误差。（,TE,方式,）,42,特殊处：,它采用两个相同的膜片对晶片施加预载力从而可以消除由振动加速度引起的附加输出。,消除振动加速度影响的压电式压力传感器,43,本章小结,概念,:,压电效应,问题,1:,试说明压电陶瓷的敏感机理。,问题,2:,试说明石英晶体的压电机理。,问题,3:,试说明压电式加速度传感器基本工作原理。,问题,4:,试说明压电效应的特点。,44,