西南交大自动检测技术课件-第七章压电式传感器

第七章压电式传感器定义：以某些物质的压电效应为转换原理的一种传感器（力传感器）,又称为自发电式传感器。作用：用于完成力以及可转换为力的非电参数测量。主要元件：压电晶体优点：体积小，重量轻；结构简单，工作可靠；灵敏度高。随着配套的仪表以及连接电缆性能的不断完善，应用日益广泛。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用在生物医学测量中，心室导管式微音器由压电传感器制成。电子打火机采用压电陶瓷制作的火石点火。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将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：压电效应有时把这种机械能转变为电能的现象，称为：顺压电效应逆压电效应：在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，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”。具有压电效应的电介物质称为：压电材料二、压电材料简介压电材料可以分为三大类：压电晶体(如石英单晶体)压电陶瓷(极化处理的多晶体)有机压电材料（压电半导体、高分子压电材料）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，温度稳定性好等。用于力学压电传感器的压电材料主要是石英晶体和钛酸钡压电陶瓷。（一）压电晶体常见压电晶体有：天然和人造石英晶体石英晶体特点：压电系数d11=2.31×10-12C/N；在几百度的温度范围内，其压电系数稳定不变，能产生十分稳定的固有频率；能承受700～1000kg/cm2的压力。（二）压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶体压电材料。常用的压电陶瓷：钛酸钡，锆钛酸铅等。它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡压电系数d33=107×10-11（C/kg），介电常数、机械性能不如石英晶体好。三、石英晶体的压电特性石英晶体是单晶体结构，形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。棱柱体是石英晶体的基本组织，图b是石英晶体中间棱柱断面的下半部分，断面为正六边形。在三维直角坐标系中，z轴被称为晶体的光轴，光线沿它通过晶体不产生折射。在该轴方向上没有压电效应。垂直于光轴z和电轴x的y轴称为机械轴；经过六棱柱棱线，垂直于光轴z的x轴称为电轴，把沿电轴x施加作用力后压电效应称为：纵向压电效应把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。沿光轴z方向施加作用力则不产生压电效应。若从石英晶体上沿y方向切下一块晶体片，当在电轴x方向施加作用力fx时，在与电轴（x）垂直的平面上将产生电荷qx，其大小为：xxfdq11xxfdq11式中:d11—x轴方向受力的压电系数；fx—作用力。若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力fy，则仍在与x轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为：1211yyyaaqdfdfbb式中:d12——y轴方向受力的压电系数，badd,;1112分别为晶体片的长度和厚度。qx的大小与晶体片几何尺寸无关，qy与晶体片几何尺寸有关。受力后在与x轴垂直的平面上产生电荷qx和qy的符号：由受压力还是拉力决定。四、压电传感器工作原理1、石英晶体压电现象将一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影等效为正六边形排列。图中“”代表Si4+离子；“”代表氧离子2O2-。当石英晶体未受外力作用时，带有4个正电荷硅离子和带有2×2个负电荷氧离子：正好分布在正六边形顶角上，形成三个大小相等、互为120°夹角的电偶极矩为P1、P2、P3，电偶极子一对等量异号的点电荷所组成的带电系统。一些实际的带电系统(如电介质的分子)可简化为电偶极子。电偶极矩是一个矢量，其大小等于构成电偶极子的电荷的电量与两电荷距离的乘积，方向从负电荷指向正电荷。P=qL，q为电荷量，L为正、负电荷之间距离。当石英晶体未受外力作用时，此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即：电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，P1+P2+P3=0将产生压缩变形，正负离子的相对位置随之变动，正负电荷中心不再重合。电偶极矩在x轴方向的分量结果表面A上呈负电荷，B面上呈正电荷；如果在x轴方向施加拉力，结果A面和B面上电荷符号则相反。这种沿x轴施加力，而在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象，即为“纵向压电效应”。（P1+P2+P3）x0，晶体压缩变形,电荷极矩在x轴方向分量所以C、D面上不带电荷，面A、B面分别呈现正、负电荷。如果在y轴方向施加拉力，结果在A、B表面上产生相反电荷。这种沿y轴施加力，而在垂直于y轴的晶面上产生电荷的现象称为“横向压电效应”。（P1+P2+P3）x0当石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时，当石英晶体在Z轴方向受力作用时，由于硅离子和氧离子是对称平移，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在x、y方向的分量为零，表面无电荷出现。因而沿光轴(Z)方向施加力，石英晶体不产生压电效应。逆压电效应如果在片状压电材料的两个电极面上加以交流电压，石英晶体片将产生机械振动，即：晶体片在电极方向有伸长和缩短的现象。这种电致伸缩现象即为逆压电效应。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。压电陶瓷材料在极化处理以前，陶瓷内极化强度为0。电介质的极化在外电场作用下在电介质内部和表面上产生束缚电荷(极化电荷)的现象。束缚电荷电介质极化后可在电介质内部和表面上产生附加电荷，由于这种电荷不像导体中的自由电荷那样可用传导的方法引走，故称作束缚电荷或极化电荷。电极化强度为描写电介质极化的强弱，引入电极化强度(矢量)，其定义是单位体积内电偶极矩的矢量和。取向极化在外电场中，其固有电矩要沿外电场的方向取向。压电陶瓷的压电特性：在陶瓷上施加外电场时，此时压电陶瓷具有一定的极化强度。当外电场撤销后，陶瓷极化强度并不立即恢复到零。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。由于束缚电荷的作用，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。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，极化强度变小，因此，吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。压电陶瓷的正压电效应：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，放电电荷多少与外力成正比例关系。即：q=d33f式中d33——压电陶瓷的压电系数；f——作用力。第二节压电传感器等效电路和测量电路一、压电晶片的连接方式压电传感器：用于测量力和与力有关参数,如压力、位移、加速度等。由于外力作用而使压电材料上产生电荷，在测量过程中该电荷会长期保存的条件：电荷无泄漏的情况，由此要求：测量电路具有无限大的输入阻抗。压电传感器不进行静态测量。只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，供给测量电路一定的电流，故：压电传感器一般作动态测量。1.压电传感器的等效电路当压电晶体片受力时，在晶体片的两个表面上聚集等量正、负电荷，晶体片两表面相当于一个电容的两个极板。压电片相当于一只平行板介质电容器C=εS/dS——极板面积；d——压电片厚度；ε——压电材料的介电常数.压电式传感器的内阻抗很高，而输出的信号很弱，因此:不能直接显示和记录，也不能做静态信号的测量。它的测量电路需要一个高输入阻抗的前置放大器作为阻抗匹配，防止电荷迅速泄漏，从而减小测量误差。(1)把压电传感器等效为一个电压源和一只电容Ce串联的电路eCqU只有在外电路负载RL无穷大，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RLCe按指数规律放电。(2)压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容Ce并联电路。且内部无漏电时，压电式传感器在测量系统中的等效电路图电压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：图中Ce、Rd分别为传感器的电容和漏电阻。连接电缆的等效电容Cc放大器的输入电阻Ri输入电容Ci。输出为高阻抗信号的电荷型压电传感器而言，为保证：测量信号不受因电缆而造成噪声的影响传感器输出信号电缆一般采用：低噪声电缆在通用型压电传感器的电缆配备中应考虑到电缆的重量和成本：Φ2mm直径的低噪声电缆为加速度传感器的标准配置。电缆本身的强度也成为重要考虑因素，因此：Φ3mm直径的低噪声电缆和Φ4.5mm直径的普通同轴屏蔽电缆成为最常使用的电缆。除电缆结构外，还需考虑的指标是：电缆应用温度以及在工业现场测试中电缆外层材料耐腐蚀能力。最为普遍使用的电缆绝缘材料为PVC,使用温度范围为-40C到+105C。对应用环境较恶劣的场合，最经常选用的电缆绝缘材料为聚四氟乙烯；其使用温度范围为-45C到+250C，且耐腐蚀能力也优于其它大多数电缆绝缘材料。2.压电晶片的连接方式制作压电传感器时，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。接法有两种：并联和串联并联连接式压电传感器q′=2q，C′=2C，U′=U，输出电荷大，但本身电容亦大，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地方。串联连接式压电传感器，U′=2U，C′=C/2，q′=q输出电压高，本身电容小。适宜于以电压输出的信号。说明：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。但该预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度。串联接法：压电传感器的灵敏度在出厂时已作了标定。随着使用时间的增加会有些变化，其主要原因是性能发生了变化。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，每隔半年进行一次灵敏度校正。石英晶体的长期稳定性很好，灵敏度不变，故无需进行校正。二、压电传感器的测量电路信号源内阻大电荷产生电流弱（2～20mA）测量电路必须采用放大电路信号源内阻大，如果负载阻抗小：直接进行信号传输时损耗很大，抗干扰能力很差，也不利于与信号放大器输入阻抗的匹配。为了保证压电传感器测量误差小到一定程度，要求：在压电传感器输出端要接入前置放大器阻抗变换，然后再接入一般的放大器。接入前置放大器目的：阻抗变换提取有用信号，将高阻抗输出低阻抗输出改善信号源的带负载能力，提高抗干扰能力对传感器输出的微弱信号放大压电式传感器测量电路的关键：前置放大器设计前置放大器有两种形式：电压放大器、电荷放大器。压电传感器等效电压源，前置放大器采用同相放大器压电传感器等效电荷源，前置放大器采用反相放大器（一）电压放大测量电路1.电压放大器输出信号正比于作为输入信号的传感器电荷所产生的电压。说明：当作用在压电元件上的力是静态力时，前置放大器的输入电压为0。当3时，其中=R(Ce+Cc+Ci)前置放大器的实际输入电压接近理想的输入电压。在时间常数一定条件下，被测量变化频率越高，前置放大器的实际输入电压越接近理想的输入电压。如果较小，则传感器灵敏度将下降。为了扩大传感器的低频响应范围，采取措施：提高测量回路电阻（主要取决于前置放大器的输入电阻）。2.电压放大测量电路优点：电路简单，元器件少，工作可靠。3.电压放大测量电路缺点：输出电压与连接电缆电容Cc有关，灵敏度受电缆分布电容影响。每次更换电缆需要重新校准传感器灵敏度。4.常用同相电压放大电路，其输出：U0=(1+Rf/R1)Ui（二）电荷放大测量电路电荷放大器输出电压正比于传感器的电荷量。输出电压与连接电缆的电容有关。每次更换电缆需要重新校准传感器灵敏度。实际的电荷放大电路由：电荷转换级、放大级、低通滤波级、电压放大级、过载指示电路组成。（三）压电测量系统的精度校准温度变化对传感器灵敏度的影响传感器的灵敏度：K=d/dp温度改变而引起传感器输出变化是由压电材料特性所造成的。根据压电材料的分类，石英晶体受温度影响最小，