第七章-压电式传感器

信号检测与变换第七章压电式传感器第七章压电式传感器主要内容：压电式传感器的工作原理压电式传感器的等效电路压电式传感器的信号调节电路第七章压电式传感器什么是压电式传感器？压电式传感器是一种有源传感器，它是以某些物质的压电效应为基础实现能量转换。它可以用于力、加速度、速度、振动以及流量等参数的测量。压电式传感器的特点灵敏度高结构简单工作可靠信噪比高7.1压电式传感器的工作原理压电式传感器利用介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面产生电荷，从而实现非电量测量的目的压电效应某些电介质，当沿着一定方向受到拉力或压力作用而发生变形时，内部产生极化现象，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，这种现象称为压电效应也称为正压电效应，可将机械能转换为电能7.1压电式传感器的工作原理逆压电效应与正压电效应相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应。逆压电效应可将电能转换为机械能具有压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等利用逆压电效应可以制成电激励的制动器（执行器）；基于正压电效应可制成机械能的敏感器（检测器），即压电式传感器。7.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理就是利用某些电介质的正压电效应，将被测量的变化转换为力的变化，当力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）的输出。压电式传感器的工作过程被测量——力——电荷被测量的认识过程电荷（或电压）——力——被测量7.1.1压电效应石英晶体石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。7.1.1压电效应沿x轴方向施加作用力x轴：平行于正六面体的棱线，称为电轴沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。当沿电轴方向施加作用力Fx时，则在与电轴垂直的YOZ平面上产生电荷Qx，它的大小为电荷Qx的符号视Fx是受拉或受压而决定。切片上产生的电荷的多少与切片的几何尺寸无关为压电系数；1111dFdQxx7.1.1压电效应沿y轴方向施加作用力y轴：垂直于正六面体棱面，称为机械轴沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。电荷仍出现在YOZ平面上，但极性方向相反，电荷的大小为1112121112,ddydbaFbadFbadQyyy数，轴方向受力时的压电系－度；－晶体切片的长度和厚式中：7.1.1压电效应沿机械轴方向的力作用在晶体上时产生的电荷与晶体切片的尺寸有关沿y轴的压力所引起的电荷极性与沿x轴的压力所引起的电荷极性相反沿z轴方向施加作用力z轴：通过锥顶端的轴线，是纵向轴，称为光轴沿光轴方向受力不会产生压电效应。7.1.1压电效应晶体切片上电荷符号与受力方向的关系7.1.1压电效应石英晶体的压电效应7.1.2压电常数和表面电荷的计算压电元件在受到力的作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。任意受力表面电荷密度方程组ijdqNCdcmNcmCqij/;/;/22压电常数，单位为单位为单位面积上的作用力，为电荷的表面密度，单位xyzxyzzzyyxxzzxyzxyzzzyyxxyyxyzxyzzzyyxxxxddddddqddddddqddddddq3635343332312625242322211615141312117.1.2压电常数和表面电荷的计算压电材料的压电特性可以用压电常数矩阵表示石英晶体363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddd00000000000002625141211ddddd1126142511122dddddd7.1.2压电常数和表面电荷的计算对能量转换有意义的石英晶体变形方式7.1.2压电常数和表面电荷的计算厚度变形（TE方式，纵向压电效应）长度变形（LE方式，横向压电效应）xxxxxxxxFdQdq1111或轴的表面积。压电元件垂直于轴的表面积；压电元件垂直于或yx1212yyxxyyxxyyxxyyxxSSSSFdQdq7.1.2压电常数和表面电荷的计算面剪切变形（FS方式）厚度剪切变形（TS方式）弯曲变形（BS方式）弯曲变形不是基本的变形方式，而是拉、压应力和剪切应力共同作用的结果。应根据具体的晶体的切割及弯曲情况选择合适的压电常数进行计算切晶片）对于切晶片）对于y(x(2514zxyyyzxxdqdq切晶片）（对于y26xyyydq7.2压电材料转换性能：具有较大的压电常数机械性能：强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率电性能：高的电阻率，大介电常数，以期减弱外部分布电容的影响，获得好的低频特性温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期获得较高的工作温度范围时间稳定性：压电特性不随时间蜕变7.3压电式传感器的等效电路压电式传感器有两种等效电路电荷等效电路电压等效电路7.3压电式传感器的等效电路压电式传感器放大器输入端等效电路电压等效电路电荷等效电路7.3压电式传感器的等效电路压电片的连接方式并联电压不变电荷量为2倍电容2倍串联电压2倍电荷量不变电容一半－＋＋＋＋－－－7.4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RL必须很大，因此通常的压电式传感器后信号调节电路的接法是：压电式传感器输出——高输入阻抗的前置放大器——放大电路或其他电路压电式传感器的测量电路的关键在于高阻抗的前置放大器把压电式传感器的微弱信号放大高阻抗到低阻抗输出变换压电式传感器的前置放大器有电压型和电荷型两种形式7.4.1电压放大器（阻抗变换器）传感器与电压放大器连接的等效电路等效电阻等效电容iaiaRRRRRicaCCCC前置放大器输入电容。电缆电容；传感器内部电容；前置放大器输入电阻；传感器绝缘电阻；式中：icaiaCCCRR7.4.1电压放大器（阻抗变换器）若作用在压电元件上的力F为压电系数为d，则在F的作用下，产生的电荷电流i为输入电压为tFFmsindFQtdFdtdQimcosFdjIRCjRjFdRCjRIUi117.4.1电压放大器（阻抗变换器）前置放大器的输入电压幅值为输入电压与作用力之间的相位差为理想情况下，前置放大器的输入电压幅值为221icamimCCCRRdFURCCCica1tan2icamamCCCdFU7.4.1电压放大器（阻抗变换器）7.4.1电压放大器（阻抗变换器）当作用在压电元件上的力是静态力时，则前置放大器的输入电压等于零。这也就从原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。当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随频率的变化不大。压电式传感器的高频响应好。扩大压电式传感器低频响应范围的切实可行的办法是提高测量回路的电阻。测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。7.4.1电压放大器（阻抗变换器）压电式传感器一般都采用专门的前置放大器很高的输入阻抗，很低的输出阻抗7.4.2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，而且输出电压正比于输入电荷。电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器压电式传感器实物图片压电式加速度传感器结构利用压电材料(压电晶体、压电陶瓷)的压电效应，(即压电材料所产生的感应电荷量与其所受力或加速度的大小成比例)把振动的瞬时加速度转变为感应电荷的元件。(图2)传感器由压电材料和感受外力(加速度)的质量块组成。使用时把传感器固定在振体上。压电式加速度传感器体小、质轻，测频范围宽，对被测振体的振动特性影响小，故得到广泛应用。压电式扭矩传感器压电式脉搏传感器该产品采用高度集成化工艺将力敏元件(PVDF压电膜)、灵敏度温度补偿元件、感温元件、信号调理电路电路集成在传感器内。压电式原理采集信号，模拟信号输出，输出同步于脉搏波动的脉冲信号，脉搏波动一次输出一正脉冲。该产品可用于脉率检测，如运动、健身器材设备中的心率测试。压电式脉搏传感器HK-2000C集成化数字脉搏传感器是在HK-2000B的基础上增加了程控放大电路、基线调整电路、A/D转换电路、串行通信电路，方便用户集成及二次开发使用。压电式原理采集信号，数字信号输出，直接通过USB或串口输出脉搏波波形数据。在电脑上运行我们附送的演示程序可以直观的在电脑屏幕上显示脉搏波形并可以对波形的幅值、频率、基线等进行调整。该产品可应用于脉率检测、无创心血管功能检测、妊高征检测、中医脉象诊断等。压电式涡街流量计涡街流量计可计量饱和蒸汽、过热蒸汽、工业用水、排水、高低温液体、液化气、天然气、城市煤气、压缩空气等各种介质，广泛适用于冶金化工、轻工、食品及污水处理等行业。压电式涡街流量计原理涡街流量计是应用卡门涡街原理和现代电子技术设计而制造的一种流量计，旋涡的发生频率与流体的速度成正比，在一定条件下，符合下式：f=StV/d（式中f：旋涡发生频率v：流速d：三角柱宽度）流体旋涡对三角柱产生交替变化的压力，由压电信号传感器检测成电信号经前置放大器进行放大，变成标准电信号输出。涡街流量计可以对广泛的气体（包括蒸汽）和液体进行容积计量，配接流量积算仪和温度、压力传感器可进行质量运算及各种参数显示。一种研究喷油嘴油束发展过程的新方法1喷油泵实验台;2喷油泵;3喷油嘴;4压电式压力传感器;5电荷放大器;6针阀升程传感器;7针阀升程测量仪;8A/D采集卡;9微型计算机将喷油嘴安装到如图所示的油束动量测量装置内,用石英压电晶体压力传感器测量油束打在传感器受压面上的冲击力。