第5章-压电式传感器ppt课件

,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,*,第五章压电式传感器,第一节 压电效应和压电材料,第二节 压电传感器的连接方式,第三节、,压电式传感器等效电路,第四节 压电式传感器的测量电路,第五节 压电式传感器的应用,第五章压电式传感器 第一节 压电效应和压电材料第二节,1,第一节 压电效应和压电材料,一、,压电效应,当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时、会产生变形，此时这种材料的两个表面特产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为,压电效应.,反之在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电扬后，该物质的变形随之消失把这种电能转变为机械能的现象，称为“,逆压电效应,”。,第一节 压电效应和压电材料一、压电效应,2,由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，加上它的,体积小,、,重量轻,、,结构简单,、,工作可靠,、,固有频率高,、,灵敏度和信嗓比高,等优点，因此30多年来压电式传感器的应用获得飞跃的发展。利用正压电效应研制成,压电电源,、,煤气炉和汽车发动机的自动点火装置,等多种电压发生器，在测试技术个，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的那些物理量，例如压力、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到,压电式传感器,的应用。,正、逆压电效应的应用,由于压电转换元件具有自发电和可逆两种重要性能，,3,利用逆压电效应可制成多种,超声波发生器,和,压电扬声器,如电子手表就要压电谐振器。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、声纳和压电声表面波器件等。,更有意义的是：根据研究生物压电学的结果认识到生物都具有压电性，人的各种感觉器官实际上是生物压电传感器。如根据正压电效应治疗骨折，可加速疮愈，用逆压电效应，对骨头通电具有矫正畸形骨等功能。,利用逆压电效应可制成多种超声波发生器和压电扬,4,二、压电材料简介,压电材料可以分为两大类：,压电晶体,和,压电陶瓷,.具有较好特性：具有较大的压电常数机械性能优良(强度高，固有振荡频率稳定)，时间稳定性好，温度稳定性也很好等，所以它们是较理想的压电材料。,1 压电晶体,常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体，其化学成分为二氧化硅。,2压电陶瓷,压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电。,二、压电材料简介 压电材料可以分为两大类：压电晶体和,5,第5章-压电式传感器ppt课件,6,1.石英晶体,结晶形状是六角晶柱，它是一个正六面体，我们用直角坐标三个轴来表示：,纵轴线,z,光轴,穿过棱线且,z,轴的,x,轴,电轴,棱面的,y,轴,力轴（机械轴）,1.石英晶体 结晶形状是六角晶柱，它,7,现象,：,沿电轴,x,方向施力，在,x,轴表面产生电荷,纵向压电效应,沿力轴,y,方向施力，也在,x,轴表面产生电荷,横向压电效应,沿光轴,z,方向施力，表面不产生电荷；,若改变受力方向，表面极性也相应改变；,分别使x、y方向都受压或受拉，极性也相反。,现象：沿电轴x 方向施力，在x轴表面产生电荷 纵向,8,2、压电陶瓷的压电现象,压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶体有许多自发极化的电畴。在极化处理以前各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，如图所示。,2、压电陶瓷的压电现象 压电陶瓷是人造多晶体，它的,9,压电陶瓷的极化,在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，如图(b)所示。既然已极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当外电场撤销后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零如图54(c)所示，此时存在剩余极化强度。,压电陶瓷的极化 在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化,10,同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负，如图55所示。由于柬缚电荷的作用、在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，因此陶瓷片对外不呈现极性。,图5-5束缚电荷和自由电荷排列的示意图,同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另,11,如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形片内的束缚电荷之间距离变小，电畴发生偏转、极化强度变小,因此，吸附其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象.,这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能就是,压电陶瓷的正压电效应,。放电电荷的多少与外力成正比例关系。即,-压电陶瓷的压电系数；,-作用力。,如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，,12,生物传感器技术应用领域及未来发展特点,(一,),Sensor,有人把,21,世纪称为生命科学的世纪，也有人把,21,世纪称为信息科学的世纪。生物传感器正是在生命科学和信息科学之间发展起来的一门交叉学科。,生物传感器研究的全面展开是在,20,世纪,80,年代,20,多年来发展迅速,在食品工业、环境监测、发酵工业、医学等方面得到了高度重视和广泛应用。,生物传感器正进入全面深入研究开发时期，各种微型化、集成化、智能化、实用化的生物传感器与系统越来越多。,生物传感器技术应用领域及未来发展特点(一)Sensor,13,1.,食品工业,生物传感器在食品分析中的应用包括食品成分、食品添加剂、有害毒物及食品鲜度等的测定分。,食品成分分析：,在食品工业中，葡萄糖的含量是衡量水果成熟度和贮藏寿命的一个重要指标。已开发的酶电极型生物传感器可用来分析白酒、苹果汁、果酱和蜂蜜中的葡萄糖等。,食品添加剂的分析：,亚硫酸盐通常用作食品工业的漂白剂和防腐剂，采用亚硫酸盐氧化酶为敏感材料制成的电流型二氧化硫酶电极可用于测定食品中的亚硫酸含量。此外，也有用生物传感器测定色素和乳化剂的报道。,1.食品工业 生物传感器在食品分析中的,14,2.,环境监测,近年来，环境污染问题日益严重，人们迫切希望拥有一种能对污染物进行连续、快速、在线,监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当部分的生物传感器应用于环境监测中。,大气环境监测：二氧化硫,(SO2),是酸雨酸雾形成的主要原因,传统的检测方法很复杂。,Marty,等人将亚细胞类脂类固定在醋酸纤维膜上,和氧电极制成安培型生物传感器，可对酸雨酸雾样品溶液进行检测。,2.环境监测 近年来，环境污染问题日益严重，人们,15,3.,发酵工业,在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液混浊程度的限制、能消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。,微生物传感器可用于测量发酵工业中的原材料和代谢产物。另外，还用于微生物细胞数目的测定。,4.,医学领域,生物传感技术因为其专一、灵敏、响应快等特点，在灵床医学、军事医学方面，也具有广阔的应用前景。,利用具有不同生物特性的微生物代替酶，可制成微生物传感器。在军事医学中，对生物毒素的及时快速检测是防御生物武器的有效措施。生物传感器已应用于监测多种细菌、病毒及其毒素。,3.发酵工业 在各种生物传感器中，微生物传感,16,第二节 压电传感器的连接方式,一、压电晶片的连接方式:,由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器,不宜作静态测量,只能在其上加交变力电荷才能不断得到补充可以供给测量电路一定的电流故压电传感器,只宜作动态测量,。,制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此接法有,并联,和,串联,两种如图56所示:,第二节 压电传感器的连接方式一、压电晶片的连,17,并联连接,式压电传感器的输出电容 和极板上的电荷 分别为单块晶体片的2倍，而输出电压 与单片上的电压相等。即:,串联时,输出总电荷 等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容应为单片的1/2。即,并联连接式压电传感器的输出电容 和极板上的电,18,由此可见，,并联接法,虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出的情况。,串联接法,输出电压高，本身电容小，适宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。,在制作和使用压电传感器时，,要使压电晶片有一定的预应力,。这是因为压电晶片在加工时即使磨得很光滑，也难保证接触面的绝对平滑、如果没有足够的压力，就不能保证全面的均匀接触，因此事先要给晶片一定的预应力，,但预预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度。,实验表明，压电陶瓷的压电常数随着使用时间的增加而减小。因此为了保证传感器的测量精度，最好每隔半年进行一次灵敏度校正。,由此可见，并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容,19,叠层式压电晶片结构形式,叠层式压电晶片结构形式,20,第三节、,压电式传感器等效电路,压电式传感器实质上是一个电容器,:,当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板两极板间的物质等效于一介质，因此压电片相当于一只平行板介质电容器参见图57。其电容量为:,r,晶片相对介电常数,0,真空介电常数,S 工作面面积,晶片厚度,第三节、压电式传感器等效电路 压电式传感器实质上是一个电容器,21,和普通电容器不同,的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。,所以，可以把压电传感器等效为一个电压源 和一只电容c串联的电路，如图58(a)所示。由图可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数RC按指数规律放电。,和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用,22,压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联电路，此时，该电路被视为一个电荷发生器如图58(b)所示。,5-8(a)电压源,5-8(b)电荷源,图5-8 压电式传感器的等效电路,压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联,23,压电传感器在实际使用时、总是要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容 放大器的输入电阻 。和输入电容 ,这样压电式传感器在测量系统中等效电路就应如图59所示。图中，,C,为传感器的电容,为传感器的漏电阻。,图 5-9(b)电荷源,图 5-9(a)电压源,压电传感器在实际使用时、总是要与测量仪器或,24,第四节 压电式传感器的测量电路,为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载电阻,R,要大到一定数值才能使晶体片上的漏电流相应变小，因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放大器，然后再接入一般的放大器。其目的：,一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。,根据前面的等效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。,第四节 压电式传感器的测量电路 为了保证压电传感,25,1电压放大器(阻抗变换器),电压型,等效电路,根据上图，设,R,为传感器的漏电阻 和放大器的输入电阻 的并联等效电阻、,C,为 和 并联等效电容则,1电压放大器(阻抗变换器)电压型根据上图，设R为传感器的,26,压电传感器的开路电压是 ，若压电元件沿电轴方向施加交变力 ，则产生的,电荷和电压均按正弦规律变化、其电压为:,电压的幅值等于 ，送到放大器输入端的电压为,压电传感器的开路电压是,27,因此,前置放大器的输入电压的幅值为:,输入电压和作用力之间的相位差为:,在理想情况下传感器的绝缘电阻 和前置放大器的输入电阻 都为无限大，即,也无电荷泄漏。在理想情况下，前置放大器的输入电压的幅值为:,因此,前置放大器的输入电压的幅值为:输入电压和作用力之间的相,28,它与实际输入电压之幅