2.5-压电式力学传感器解析

_,_,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,1,*,泉州信息学院机电工程系,第2章 压电式力学传感器,传感器与检测技术,第2章 压电式力学传感器,Piezoelectric Sensors,主要内容,2.5.1,压电效应,2,.,5.2,压电材料,2.5.3,压电式传感器的测量电路,2.5.4,压电式传感器的灵敏度,2.5.5,压电式传感器的应用,概述,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为根底，在外力作用下，在电介质外表产生电荷，从而实现非电量电测的目的。,压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。,压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此构造牢固、牢靠性、稳定性高。,1、正顺压电效应：,某些电介质，当沿着确定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它确实定外表上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向转变时，电荷极性也随着转变。,一、压电效应,压电效应演示,2、逆压电效应电致伸缩效应：,当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在确定方向上产生气械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消逝的现象。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,压电材料在外力作用下产生的外表电荷常用压电方程描述，为：,式中，qii面上的电荷密度(Ccm2)；Qii面上的总电荷量C；jj方向的应力(Ncm2)；Fjj方向的作用力；dij压电常数(CN)，(i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6)。,二、,压电材料及其特性,单晶,多晶：压电陶瓷，钛酸钡，锆钛酸铅(PZT),新型材料,石英晶体,铌酸锂，钽酸锂,Z,X,Y,(,a,),(a)石英晶体外形,(一)、常用压电材料,1、石英晶体,石英晶体的化学式微SiO2,是单晶体构造，如图2-26表示抱负几何外形的石英晶体，它是一个正六面体晶柱。,自然形成的石英晶体外形,(1)石英晶体最大特点是各向异性。,如上图所示，石英晶体的坐标图：,Z称为光轴；X称为电轴；Y称为机械轴。,从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。,图2-26 石英切片,(a)石英晶片的切割 (b)石英晶片,a,b,双面镀银并封装,(2)压电效应,纵向压电效应,Z,X,Y,光轴,机械轴,电轴,F,X,F,X,+,+,+,+,+,+,+,+,(,a,),(,b,),X,X,式中：d,11,压电系数，与受力方向和变形有关；q,x,垂直于X轴平面上的电荷，F,x,沿X轴方向施加的作用力,特点：,电荷,q,x,的符号表示受压力还是受拉力；,切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即,q,x,与,F,x,成正比；,晶片电荷极性与受力关系如右图所示。,+,+,+,+,+,+,+,+,(,c,),(,d,),F,Y,F,Y,X,X,特点：,沿机械轴方向作用力在晶体产生的电荷与晶体切片的尺寸有关；,沿,y,轴作用力所产生的电荷极性与沿,x,轴作用力所产生的电荷极性是相反的，见左图。,注：石英晶体并不是在任何方向都存在压电效应,(2压电效应,纵向压电效应,式中：d,11,y轴方向受力的压电系数，据石英晶体的对称性，有d,12,=-d,11,；q,y,垂直于X轴平面上的电荷，F,y,沿y轴方向施加的作用力；L、晶体切片的长度、厚度,(,b,),(,a,),+,+,-,-,-,Y,X,X,Y,硅氧离子的排列示意图,(a)硅氧离子在Z平面上的投影,b等效为正六边形排列的投影,+,(3)石英晶体的压电特性,石英晶体具有压电效应，是由其内部构造预备的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为争论便利，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,当作用力FX=0时，正、负离子即Si4+和2O2-正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图a所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即,P1P2P30,当晶体受到沿,X,方向的压力（,F,X,0,；在,Y,、,Z,方向上的分量为,（,P,1,+,P,2,+,P,3,）,Y,=0 （,P,1,+,P,2,+,P,3,）,Z,=0,由上式看出，在,X,轴的正向出现正电荷，在,Y、Z,轴方向则不出现电荷,。,Y,+,+,+,-,-,-,X,(,a,),F,X,=0,P,1,P,2,P,3,F,X,X,Y,+,+,+,+,F,X,(,b,),F,X,0,Y,+,+,+,-,-,X,-,+,+,+,F,X,F,X,P,2,P,3,P,1,+,P1+P2+P3X0,P1+P2+P3Y=0,P1+P2+P3Z=0,当晶体受到沿X方向的拉力FX0作用时，其变化状况如图c。此时电极矩的三个重量为,在X轴的正向消逝负电荷，在Y、Z方向则不消逝电荷。,晶体在Z轴方向力FZ的作用下，由于晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全一样，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就说明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。压电常数：,2 压电陶瓷,(,1)压电陶瓷的压电效应,直流电场,E,剩余极化强度,剩余伸长,电场作用下的伸长,(,a,),极化处理前,(b)极化处理中,(c)极化处理后,但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进展测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是由于陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端消逝正束缚电荷，另一端消逝负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。,自由电荷,束缚电荷,电极,电极,极化方向,陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图,假设在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变图中虚线，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一局部被释放，而消逝放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，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局部自由电荷而消逝充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。,极化方向,正压电效应示意图,实线代表形变前的状况，虚线代表形变后的状况,F,同样，假设在陶瓷片上加一个与极化方向一样的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向一样，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变图中虚线。同理，假设外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。,逆压电效应示意图,实线代表形变前的状况，,虚线代表形变后的状况,极化方向,电场方向,(二)压电材料的主要特性,1)压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参数，与压电输出灵敏度有关。,2)弹性特性：压电材料的弹性常数、刚度预备着压电元件的固有频率和动态特性。,3)介电常数：对于确定外形、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。,4)机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量与输入能量之比的平方根，是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。,5)绝缘电阻：压电材料的绝缘电阻将削减电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。,6)居里点：是指压电材料丧失压电特性的温度,三、压电式传感器测量电路,1 等效电路,具有确定电容的电荷源：,等效电容：,开路电压：,实际等效电路：,Q,Q,电极,压电晶体,C,a,(,b,),(,a,),压电元件的等效电路,实际等效电路：,依据电荷平衡建立方程式：,又,则：,两边取拉氏变换：,频率响应函数：,幅频响应函数：,相频响应函数：,假设作用在压电晶片上的，作用力为：,则相应外表电荷为：,依据线性时不变系统的特性，其稳态输出：,当,时，,能实现不失真传输。可见压电元件具有优良的高频特性，低频特性。为了改善其低频特性降低下限截止频率，需有较大的R0或C。而 ，即压电元件需后接高输入阻抗的运算放大器。,三、压电式传感器测量电路,2 压电元件常用构造形式,时间常数大，动态响应差，适合于慢变信号的测量。以电荷量输出的场合。,时间常数小，动态响应好，适合于快变信号的测量。以电压输出的场合。,三、压电式传感器测量电路,3 测量电路,1)压电传感器对测量电路的要求:,压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录，而需经过二次仪表进展阻抗变换和信号放大。,压电传感器需后接高输入阻抗的前置放大器。,2)前置放大器的作用：,阻抗变换(高输入阻抗 低输出阻抗),放大微弱信号,3)前置放大器的形式：,电压放大器：电阻反响；输出电压与输入电压成正比。,电荷放大器：带电容负反响的高增益运放；,输出电压与输入电荷成正比。,电压放大器,当 很高时，输出信号的幅值：,其中,问题：输出电压与电缆电容有关。假设电缆电容变化，灵敏度也随之变化。,输出：,电荷放大器,由电荷平衡方程式：,特点：输出电压与传感器的电荷量近似正比，且只与反响电容有关，不受电缆电容的影响。,五、压电式传感器的灵敏度,1、电荷灵敏度：,式中：Q电荷量；J输入力学量,测量力F时：,式中：n晶片数目；d,ij,纵向压电常数,测量加速度时：,式中：m质量块质量；d,ij,纵向压电常数,五、压电式传感器的灵敏度,1、电压灵敏度：,式中：U,SC,输出电压；J输入力学量,测量加速度时：,式中：m质量块质量；d,ij,纵向压电常数,C,a,压电元件的电容,五、压电式传感器的应用,1、测力；,2、测压力；,3、测加速度,六、应用举例,1、测力传感器,图2-34 YDS-78型压电式单向动态力传感器,1,2,3,4,5,6,p,2、压电式压力力传感器,1)组成：本体(具体构造),弹性敏感元件(一级敏感，膜片),压电转换元件(二级敏感元件，膜片),3、加速度传感器,集成压电式传感器,是一种高性能、低本钱动态微压传感器，产品承受压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击力气强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、本钱低等特点，广泛应用于医疗、工业把握、交通、安全防卫等领域。,脉搏计照片,典型应用：,脉搏计数探测,按键键盘，触摸键盘,振动、冲击、碰撞报警,振动加速度测量,管道压力波动,其它机电转换、动态力检测等,高分子压电材料的应用,1.玻璃打碎报警装置,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃裂开时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器,质量块,将厚约0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反两面各喷涂透亮的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上两根松软的电极引线。并用疼惜膜掩盖。,使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到猛烈振动，外表产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,将高分子压电电缆埋在大路上，可以猎取车型分类信息包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集道路监控及机场滑行道等。,2.交通监测,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距假设干米，平行埋设于柏油大路的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并依据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,