第6章 压电式传感器

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,6,章 压电式传感器,6.1,压电式传感器的工作原理,6.2,等效电路及信号变换电路,6.3,压电式加速度传感器,6.4,压电式测力传感器,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,),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、压电陶瓷、高分子材料,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。,(c),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,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。,“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。,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,）,作用力沿着机械轴方向时,电荷仍在与,X,轴垂直的平面,此时，,石英晶体,一种天然晶体，压电系数,d,11,2.31,10,12,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。,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,极化方向定义为,Z,轴,压电陶瓷的正压电效应,Q,电荷量；,d,33,压电陶瓷的压电系数；,F,作用力。,压电陶瓷与石英晶体不同，前者是,人工制造的多晶体压电材料,，而后者是单晶体。,压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。,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,（,ZrTi,）,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。,压电陶瓷比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。,3.,高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（,PVF,2,或,PVDF,）、,聚氟乙烯（,PVF,）、聚氯乙烯（,PVC,）,等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达,80dB,。,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,1.,压电元件的等效电路,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,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。,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。,（,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,1.,电压放大器,若压电元件受正弦,力,F=,F,m,sint,的作用,则其电压为,送入放大器输入端的电压为：,输入电压的幅值,当 时,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。,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。,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。,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。,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,。,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。,充电电压接近等于放大器的输出电压,几点结论：,1.,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,）,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,F=ma,Fa,又qF,qa,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。,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,：多片串联或并联并联的方式。,单向压电式测力传感器,用于机床动态切削力的测量。,压电式压力传感器,测量均匀分布压力的传感器,拉紧的薄壁管对晶片提供预载力而感受外部压力的是由挠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。,6.6,影响压电式传感器的精度的因数分析,一、非线性,规定：压电加速度传感器，测振动信号的幅值线性度不大于,5%,，测冲击不得小于,10%,二、横向灵敏度,机械加工精度、装配精度、净化条件（污染）不够，自身缺陷；,措施：仔细调整相互位置,三、环境温度的影响,影响压电常数和介电常数，,措施：对压电陶瓷人工老化，隔热处理；此外，连接电缆采用无机绝缘材料,指被测物理量的增加，其灵敏度的变化程度,四、湿度的影响,各仪器与传感器分别接地，电位差产生噪声,消除方法：尽量一点接地，一般选指示器的输入端接地。,五、电缆噪声,电缆受弯曲或振动，屏蔽套、绝缘层和电缆线之间发生位移或摩擦而产生静电荷。,减小噪声的方法：使用低噪声电缆，同时要固紧,六、接地回路噪声,绝缘电阻减小，低频响应变坏。,措施：合格的结构设计,