压电式传感器.ppt

第6章压电式传感器压电式传感器：利用压电材料的压电效应实现能量的转换。当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和能转变成力的各种物理量。由于压电效应是可逆的，在压电材料的一定方向施加电场，它就会产生变形，因此压电传感器是双向传感器。第6章压电式传感器第6章压电式传感器6.1压电式传感器的工作原理★正压电效应：有些材料，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，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。★逆压电效应：在这些材料的极化方向施加电场，它们就会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料。第6章压电式传感器压电转换元件受力变形的几种基本形式第6章压电式传感器石英晶体受力方向与电荷极性的关系第6章压电式传感器第6章压电式传感器压电常数压电材料的性能常用压电常数来表征。以晶体为例，设有一用晶体制成的压电元件受到力F作用，在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系：FdQd—压电常数第6章压电式传感器不同的受力方向及不同表面上电荷积累是不同的。用单位面积上的力和电荷来表征压电效应时，得到：jiijjqdj方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度(即沿i方向的极化强度)；沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应力；压电常数(j方向受应力，在i方向产生电荷时的压电常数)。第6章压电式传感器6.2压电材料选择压电材料的要求：①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数；②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高，机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；④温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围；⑤时间稳定性:压电特性不随时间蜕变。压电晶体分类：单晶体：石英晶体等多晶体：压电陶瓷等第6章压电式传感器石英晶体石英晶体有天然的石英和人工石英单晶体两种。结构：石英晶体属六方晶体，有右旋石英晶体和左旋石英晶体之分，其理想外形共包括三十个晶面，分成五组。以m、R、r、s和x表示。六个m面也称柱面，六个R面也称大棱面，六个面r也称为小棱面，还有六个s面和六个x面。第6章压电式传感器压电晶体的三种压电效应a)纵向压电效应xxFdQdFQ11第6章压电式传感器压电晶体的三种压电效应b)横向压电效应第6章压电式传感器压电晶体的三种压电效应c)切向压电效应第6章压电式传感器石英是具有良好压电效应的一种压电晶体。在20～200℃范围内压电常数的温度变化率约是-0.016%/℃，在温度较低时，压电常数的变化很小。居里点：573℃石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。第6章压电式传感器压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。1）极化前它具有类似铁畴材料磁畴结构的“电畴”结构。特点：“电畴”是分子自发的极化区域，各单晶的自发极化方向完全是任意排列的，虽然每个单晶具有强压电性质，但是组成多晶后，各单晶的压电效应却互相抵消了。原始的压电陶瓷是一个非压电体，它不具有压电性质。第6章压电式传感器2）极化后极化处理：在一定温度下，对压电陶瓷施加强电场，使极性转动到接近电场的方向。压电陶瓷第6章压电式传感器这个方向就是压电陶瓷的极化方向，在极化方向下，各向同性受到破坏，但在垂直的平面上，仍保持各向同性。当电场丢掉后，压电陶瓷仍存在着很强的剩余极化，类似于铁磁物质在磁场中被磁化的现象，它们被极化的过程和铁磁材料被磁化的过程极其相似。当这种经极化后的铁电体在受到外力作用时，其剩余极化强度将随之变化，所以也表现出压电特性。显然这种材料的压电特性在极化方向上是最显著的。极化方向定义为z轴。压电陶瓷稳定性较石英晶体差。第6章压电式传感器第6章压电式传感器压电陶瓷的种类:①钛酸钡压电陶瓷②锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZT系压电陶瓷③铌镁酸铅压电陶瓷（PMN)④铌酸盐系压电陶瓷需要指出:通常压电陶瓷如钛酸钡和锆钛酸铅都有明显的热释电效应。第6章压电式传感器（1）厚度变形（简称为TE方式）利用石英晶体的纵向压电效应，产生的表面电荷密度或表面电荷可用下式计算：xxxxdP11xxxxFdQ11或压电元件的结构形式压电元件是用压电材料制成的力—电转换元件。压电元件有五种基本变形形式:第6章压电式传感器（2）长度变形（简称为LE方式）利用石英的横向压电效应，计算公式为yyXXdP12yyxxyyxxSSFdQ12在压电式传感器中，不少是利用纵向压电效应的，这时所用压电元件大都为圆形薄片。为增大输出，常采用多片结构，最多可达8片。或利用横向压电效应时，常采用双片弯曲式结构。在图（a）中，当自由端受力时，它就产生形变，放大后的形变如图（b）所示。第6章压电式传感器（3）厚度剪切变形利用剪切压电效应的压电元件除采用片状结构形式外，还可采用管状压电陶瓷，这种结构的极化方向有平行于轴线的和径向的两种。第6章压电式传感器6.3压电式传感器的等效电路6.3.1压电元件的等效电路压电元件是压电式传感器的敏感元件。当它受到外力作用时，就会在垂直于电轴或垂直于极化方向的表面上产生电荷，在一个表面上聚集正电荷，在另一个表面上聚集等量的负电荷。可以把压电式传感器看作一个静电电容器。第6章压电式传感器电容量:0rassCddS—电容器极板面积；d—压电元件厚度ε—压电材料的介电常数；ε0—真空的介电常数；εr—压电材料的相对介电常数，随材料不同而变。Ca—压电元件的内部电容。1.等效电路1）电荷源可等效成为一个电荷源和一个电容的等效电路。第6章压电式传感器电容器上的电压Ua（开路电压）、电荷Q与电容Ca之间存在着以下关系：aaCQU2)电压源可以等效为一个电压源和一个串联电容表示的电压等效电路。第6章压电式传感器压电传感器的等效电路1）测量系统框图第6章压电式传感器2）等效电路Ra为传感器的绝缘电阻；Ri为前置放大器的输入电阻；Ca为传感器内部电容Cc为电缆电容；Ci为前置放大器输入电容。第6章压电式传感器灵敏度有两种:电压灵敏度Ku:单位力的电压;Ku=U/F电荷灵敏度Kq:单位力的电荷;Kq=Q/F两种灵敏度的关系:3）压电传感器的灵敏度aCKKQU第6章压电式传感器6.4测量电路1.引言压电传感器的输出信号非常微弱，要将其进行放大才能测量出来。压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的问题外，连接电缆的长度、噪声都是突出的问题。第6章压电式传感器前置放大器作用⑴将传感器的输出高阻抗变换成低阻抗输出;⑵起放大传感器微弱信号的作用。传感器的输出可以是电压信号(把传感器看作电压发生器)；也可以是电荷信号(把传感器看作电荷发生器)传感器的输出信号应先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。第6章压电式传感器前置放大器有两种：电压放大器:输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成比例，这种电压前置放大器一般称为阻抗变换器；电荷放大器:输出电压与输入电荷成比例。主要区别：使用电压放大器时，整个测量系统对电缆电容的变化非常敏感，尤其电缆长度变化更为明显;使用电荷放大器时，电缆长度变化的影响可忽略不计。第6章压电式传感器6.4.1电压放大器电容器放电特性：电容器两端的电压将按指数规律变化，放电的快慢决定于测量回路的时间常数，越大，放电越慢；反之，放电就越快。第6章压电式传感器可见：只有在测量回路开路情况，也就是传感器本身的绝缘电阻Ra无限大的情况，才能使传感器的输出电压（或电荷）保持不变;如果传感器本身的绝缘电阻不是足够大，电荷就会通过这个电阻很快漏掉。传感器与测量仪器连接应考虑:●电缆电容;●前置放大器的输入电容和输入电阻;第6章压电式传感器等效电阻R：iaiaRRRRR等效电容C：icaCCCCRa:传感器的绝缘电阻；Ri:前置放大器的输入电阻；Ca:传感器内部电;Cc:电缆电容；Ci:前置放大器输入电容。第6章压电式传感器前置放大器的输入电压为srURCRIUsrj1设作用在压电元件上的力为F，其幅值为Fm，频率为。即F=FmSint在力F的作用下，产生的电荷Q为Q=dF第6章压电式传感器tCosdFtQimdd写成复数形式FdIjRCRFdUsrj1j前置放大器的输入电压的幅值Uim22)()(1icamimCCCRRdFU第6章压电式传感器输入电压与作用力之间的相位差用为RCCCica)(arctan2π理想情况下，传感器的绝缘电阻Ra和前置放大器的输入电阻Ri都为无限大，即等效电阻R为无限大的情况，电荷没有泄漏（即传感器的开路电压）。前置放大器输入电压的幅值UamicaamCCCdFU它与输入电压Uim之幅值比22)()(1)(icaicaamimCCCRCCCRUU第6章压电式传感器令1)(11icaCCCRτ为测量回路的时间常数)(icaCCCR即有：22111111amimUU)arctan(2πarctan2π1第6章压电式传感器电压幅值比和相角与频率比的关系◆当作用在压电元件上的力是静态力（=0）时，前置放大器的输入电压等于零。◆当τ1时，作用力的变化频率与测量回路的时间常数的乘积远大于1时，前置放大器的输入电压Uim随频率的变化不大。◆当τ3时，可近似看作输入电压与作用力的频率无关。第6章压电式传感器说明：在测量回路的时间常数一定的情况下，压电式传感器的高频响应是相当好的。★但应当指出:不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数(传感器的电压灵敏度是与电容成反比)。2233)()(1icamimUCCCRdFUK增加测量回路的电容量必然会使传感器的灵敏度下降。第6章压电式传感器可行的办法:提高测量回路的电阻。传感器本身的绝缘电阻一般很大，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。提高前置放大器输入电阻采取的方法：采用场效应管。压电式传感器在与阻抗变换器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。解决电缆问题的方法:将超小型放大器装入传感器之中，组成一体化传感器。第6章压电式传感器第6章压电式传感器6.4.2电荷放大器电荷放大器能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，且输出电源正比于输入电荷。一般电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010～1012Ω，而输出阻抗小于100Ω。使用电荷放大器优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。工作原理电荷放大器是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器。K:放大器的开环增益第6章压电式传感器电荷放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压:fcscCQUUfUsc—放大器输出电压；Ucf—反馈电容两端的电压。电荷放大器的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。第6章压电式传感器只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线性关系的输出电压。反馈电容Cf小，输出就大，因此要达到一定的输出灵敏度要求，必须选择适当容量的反馈电容。电荷放大器输出电压公式:◆由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容Cf′为ffCKC)1(第6章压电式传感器◆压电元件产生的电荷