压电式传感器原理及应用

,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,*,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,*,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,*,*,压电式传感器原理及应用,5.3.1,压电式传感器的工作原理,电势型传感器 以压电效应为基础,压电效应可逆 “双向传感器”,正压电效应,某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，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，这种现象就称为正压电效应。,(,加力 变形 产生电荷,),上一页,下一页,返 回,逆压电效应,在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。,(,施加电场 电介质产生变形 应力,),常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。,1.,石英晶体的压电效应,X,轴：电轴或,1,轴；,Y,轴：机械轴或,2,轴；,Z,轴：光轴或,3,轴。,“,纵向压电效应”：沿电轴（,X,轴）方向的力作用下产生电荷,“横向压电效应”：沿机械轴（,Y,轴）方向的力作用下产生电荷,在光轴（,Z,轴）方向时则不产生压电效应。,上一页,下一页,返 回,晶体切片,当沿电轴方向加作用力,F,x,时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷,d,11,压电系数（,C/N,）,作用力是沿着机械轴方向,电荷仍在与,X,轴垂直的平面,上一页,下一页,返 回,此时，,切片上电荷的符号与受力方向的关系,图（,a,）是在,X,轴方向受压力，,图（,b,）是在,X,轴方向受拉力，,图（,c,）是在,Y,轴方向受压力，,图（,d,）是在,Y,轴方向受拉力。,上一页,下一页,返 回,石英晶体的压电效应,（,a,）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。,（,b,）在,X,轴方向压缩，表面,A,上呈现负电荷、,B,表面呈现正电荷。,（,c,）沿,Y,轴方向压缩，在,A,和,B,表面上分别呈现正电荷和负电荷,上一页,下一页,返 回,石英晶体,一种天然晶体，压电系数,d,11,2.3110,12,C/N,；,莫氏硬度为,7,、熔点为,1750,、膨胀系数仅为钢的,1/30,。,优点：,转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达,550,（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达,100%,、稳定性好。,上一页,下一页,返 回,2.,压电陶瓷的压电效应,人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。,压电陶瓷的极化,上一页,下一页,返 回,陶瓷片极化,压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图,自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，,因此陶瓷片对外不表现极性。,上一页,下一页,返 回,压电陶瓷的正压电效应,压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，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，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。,放电电荷的多少与外力的大小成比例关系,上一页,下一页,返 回,Q,电荷量；,d,33,压电陶瓷的压电系数；,F,作用力。,常见压电陶瓷：,（,1,）钛酸钡（,BaTiO,3,）压电陶瓷,具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。,（,2,）锆钛酸铅,Pb,（,Zr,Ti,）,O,3,系压电陶瓷（,PZT,）,压电系数较高，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一两种微量元素，可以,获得不同性能的,PZT,材料。,（,3,）铌镁酸铅,Pb(MgNb)O,3,-PbTiO,3,-PbZrO,3,压电陶瓷（,PMN,）,具有较高的压电系数，在压力大至,700kg/cm,2,仍能继续工,作，可作为高温下的力传感器。,上一页,下一页,返 回,5.3.2,等效电路及信号变换电路,1.,压电元件的等效电路,2.,压电式传感器的信号调节电路,上一页,下一页,返 回,1.,压电元件的等效电路,上一页,下一页,返 回,压电式传感器的等效电路,(a),等效为一个电荷源,Q,与一个电容,C,a,并联的电路,(b),等效成一个电源,U,=,Q,/,C,a,和一个电容,C,a,的串联电路,上一页,下一页,返 回,两个压电片的联结方式,（,a,）“并联”，,Q,=2,Q,，,U,=,U,，,C,=2,C,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，,（,b,）“串联”,Q,=,Q,，,U,=2,U,，,C,=,C,/2,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，且测量电路输入阻抗很高的地方。,上一页,下一页,返 回,2.,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,L,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。,测量电路关键在高阻抗的前置放大器。,前置放大器两个作用,:,把压电式传感器的微弱信号放大；,把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。,上一页,下一页,返 回,（,1,）电压放大器,C,a,：传感器的电容,R,a,：传感器的漏电阻,C,c,：连接电缆的等效电容,R,i,：放大器的输入电阻,C,i,：放大器的输入电容,上一页,下一页,返 回,前置放大器输入电压,压电元件的力,F=F,m,sint,压电元件的压电系数为,d,11,，产生的电荷为,Q=d,11,F,。,输入电压的幅值,当作用力是静态力（,=0,）时，前置放大器的输入电压为零。,原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。,压电式传感器突出优点：高频响应相当好。,上一页,下一页,返 回,传感器的低频响应范围,如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此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。,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与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。,上一页,下一页,返 回,电压放大器应用限制,压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容,C,c,就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。,电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少，价格便宜，工作可靠，但是电缆长度对传感器测量精度的影响较大，在一定程度上限制了压电式传感器在某些场合的应用。,上一页,下一页,返 回,解决电缆问题的办法,将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。,上一页,下一页,返 回,压电式加速度传感器,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。这样引线非常短，引线电容几乎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，这样弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。,（,2,）电荷放大器,压电式传感器另一种专用的前置放大器。,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,10,10,10,12,，输出阻抗小于,100,。,使用电荷放大器突出的一个优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。,上一页,下一页,返 回,压电传感器与电荷放大器连接等效电路,K,是放大器的开环增益，（,-,K,）表示放大器的输出与输入反相，,若开环增益足够高，则放大器的输入端的电位接近“地”电位。,上一页,下一页,返 回,充电电压接近等于放大器的输出电压,几点结论：,1,、电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，,而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，,2,、只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量,Q,变化成,线形关系的输出电压。,3,、反馈电容,C,f,小，输出就大，,4,、要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。,5,、输出电压与电缆电容无关条件：,（,1+K,）,C,f,（,C,a,+,C,c,+,C,i,）,上一页,下一页,返 回,5.3.3,压电式加速度传感器,压缩式压电加速度传感器结构,上一页,下一页,返 回,测量原理,当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，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（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。,输出电量由传感器输出端引出，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，如在放大器中加进适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。,上一页,下一页,返 回,5.3.4,压电式测力传感器,压电元件是直接把力转换为电荷的传感器。,变形方式：利用纵向压电效应的,TE,方式最简便。,材料选择：决定于所测力的量值大小，对测量误差提,出的要求、工作环境温度等各种因素。,晶片数目：通常是使用机械串联而电气并联的两片。,晶片电气并联两片，可以使传感器的电荷,输出灵敏度增大一倍。,上一页,下一页,返 回,单向压电式测力传感器,用于机床动态切削力的测量。,上一页,下一页,返 回,