压电式加速度传感器考核论文

HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程考核论文题目班级学号姓名成绩机械与汽车工程学院机械电子工程系二零一四年五月1压电式加速度传感器摘要:压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量。压电式传感器是力敏感元件，所以它能测量最终能变为力的那些物理量，例如力，压力，加速度。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。因此，工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。此次利用压电陶瓷的压电效应,在加速度受振时,质量块压在压电元件上的力也随之变化。当被测振动远低于加速度计固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。关键字：压电式传感器，压电效应，放大电路，A/D转换电路一、压电式加速度传感器原理1、压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。正压电效应：某些电介质在受到某一方向的机械力而变形时，在一定表面上产生电荷，若外力变向，电荷极性随之而变；当撤除外力后，又重新回到不带电状态。逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，电场力使其在一定方向上产生机械变形或机械应力；当撤除外加电场时，变形或应力随之消失。又称电致伸缩效应。压电效应方程是关于压电体中表面电荷密度（电位移）或电场强度、与应力（或应变）张量之间关系的方程组简单情况：施加方向一定的作用力F，产生的表面电荷为：Q=dF式中，d为压电系数通常情况：电荷密度q与应力σ之间关系为：极化面F极化面Fq=dσ式中，d为压电常数矩阵q为包括三个方向平面的电荷密度；σ为三个方向的单向应力，剪切应力；d为3x6系数矩阵。2、工作原理压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。由于压电式传感器的输出电信号是微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。经过阻抗变换以后，方可用于一般的放大、检测电路将信号输给指示仪表或记录器。二、压电式加速度传感器构成1、转换元件压电陶瓷属于铁电体一类物质，是人工制造的多晶体材料。具有类似铁磁体材料磁畴结构的电畴结构，需经过极化处理后才具有一定的压电效应。电畴特性：♢是指材料分子自发形成分子团（晶粒）。♢从微观看：具有一定的极化方向，从而存在一定电场，但是分子团杂乱无章、无规则排列。♢从宏观看：它们各自的极化效应被相互抵消，整体极化强度为零。在无外加电场的作用下，原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电效应。①压电陶瓷的极化处理：施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。外电场去除后，其内部残存剩余极化强度。(a)未极化(b)已极化电场向量域电畴的变化过程②压电陶瓷的压电效应分析：在未受外力作用下，压电片不呈现极性而是中性。这是因为残余极性度产生正负束缚电荷，并且吸附了外界自由电荷，起到屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。外加与极化方向平行的压力F时，压电片产生压缩形变，使得正负束缚电荷距离变化，其极化强度也相应变小，导致吸附表面的自由电荷一部分释放形成放电现象。当外力消失后，又恢复原状，吸附外界自由电荷，类似充电现象。因而产生了一个充放电的压电效应。③压电陶瓷的压电效应分析：♢材料内部存在自发极化♢化处理后，存在剩余极化强度。♢外界（力或电场）的作用改变此极化强度，出现压电效应④压电效应的实现：♢材料内部极化电荷是束缚电荷，不是自由电荷，因此不能自由移动♢充放电现象是通过改变极化强度，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。压电陶瓷主要有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷等。⑤主要陶瓷压电材料♢钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷。在室温下属于四方晶系的铁电性压电晶体。通常是把BaCO3和TiO2按相等物质的量(mol)混合成形后，在1350°C左右的高温下烧结而成的。烧成后，在居里点附近的温度下以2kV／mm的直流电场中以冷却的方式进行极化处理。它的特点是压电系数高(d33=191´10-12C／N)和价格便宜。主要缺点是使用温度低，只有70°C左右。♢锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)。PZT是由钛酸铅(PbTiO3)和锆酸铅(PhZrO3)按47:53的摩尔分子比组成的固溶体。它的压电性能大约是BaTiO3的二倍，特别是在-55~200°C的温度范围内无晶相转变，已成为压电陶瓷研究的主要对象‘其缺点是烧结过程中PbO的挥发，难以获得致密的烧结体，以及压电性能依赖于钛和锆的组成比，难于保证性能的一致性。克服的方法是置换原组成元素或添加微量杂质和热压法等。微量杂质包括铌(Nb)、镧(La)、铋(Bi)、钨(W)、钍(Th)、锑(Sb)、钽(Ta)和铬(Cr)、铁(Fe)、钴(Co)、锰(Mn)两类。添加前类物质可以提高压电性能，但机械品质因数QM降低；后类物质可以提高QM，但添加量较多时将降低压电性能。PZT有良好的温度性能，是目前采用较多的一种压电材料。♢铌酸盐系压电陶瓷。这一系中是以铁电体铌酸钾(KNbO3)和铌酸铅(PbNb2O6)为基础的。铌酸钾和钛酸钡十分相似，但所有的转变都在较高温度下发生，在冷却时又发生同样的对称程序：立方、四方、斜方和菱形。居里点为435°C。铌酸铅的特点是能经受接近居里点(570°C)的高温而不会去极化，有大的d33／d31比值和非常低的机械品质因数QM。铌酸钾特别适用于作10~40MHz的高频换能器。近年来铌酸盐系压电陶瓷在水声传感器方面受到重视。压电陶瓷具有明显的热释电效应。该效应是指：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化(压电效应)之外，还可由于温度变化而产生电极化。用热释电系数来表示该效应的强弱，它是指温度每变化1°C时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为μC／(m2·g·°C)。如果把BaTiO3作为单元系压电陶瓷的代表，则PZT就是二元系的代表，它是1955年以来压电陶瓷之王。在压电陶瓷的研究中，研究者在二元系的Pb(Ti,Zr)O3中进一步添加另一种成分组成三元系压电陶瓷，其中镁铌酸铅Pb(Mg1/3Nb2/3)O3与PbTiO3和PbZrO3所组成的三元系获得了更好的压电性能，d33=(800~900)×10-12C／N和较高的居里点，前景非常诱人。2、等效电路当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为tStSCra0，当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为aaCqU。因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充。如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。三、压电式加速度传感器结构压电式加速度传感器结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此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，此力F＝ma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为q＝d33F＝d33ma此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。连接方式：图(a)为并联形式，片上的负极集中在中间极上，其输出电容C΄为单片电容C的两倍，但输出电压U΄等于单片电压U，极板上电荷量q΄为单片电荷量q的两倍，即CCUUqq22；；图(b)为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q΄等于单片电荷q，而输出电压U΄为单片电压U的二倍，总电容C΄为单片电容C的一半，即CCUUqq212；；（a）并联（b）串联并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。压电加速度传感器的压敏元件采用具有压电效应的压电材料，换能元件是以压电材料受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理。这些压电材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。其中弹性体是传感器的核心，其结构决定着传感器的各种性能和测量精度，弹性体结构设计的优劣对加速度传感器性能的好坏至关重要。四、压电式加速度传感器特性分析传感器所测量的物理量经常会发生各样的变动。传感器主要通过两个基本特性——静态特性和动态特性来反映被测物理量的这种变动性。静态特性表示传感器在被测物理量各个值处于稳定状态时的输出-输入关系。一般情况下-输入关系不完全符合所要求的线性或非线性关系。衡量传感器的静态特性的重要指标是，线性度、迟滞、重复性和灵敏度。1、灵敏度压电式加速传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Kq(C·s2·m1)表示；与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度Ku(V·s2·m1)表示。其一般表达式为：++++－－－－－－++++－－－－++－－++式中，Q—压电式传感器输出电荷量(C)；Ua—传感器的开路电压(V)；a—被测加速度(m／s2)。因为Ua=Q/Ca所以有压电陶瓷加速度传感器的灵敏度：压电陶瓷元件受力后表面上产生的电荷为Q=d33F，因为传感器质量块m在加速度a的作用下施加给压电元件的力F=ma(N)。这样压电式加速度传感器的电荷灵敏度和电压灵敏度可表示为：(5-47