傳感器章壓電式傳感器dPPT課件

1、6.1 壓電效應(yīng)及材料6.1.1 壓電效應(yīng) 在離子型晶體的電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生形變時(shí)，就會(huì)引起它內(nèi)部的正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面（極化面）上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷Q且其電荷密度與外應(yīng)力張量T成正比：為壓電常數(shù)矩陣ddT 當(dāng)外力消失，又恢復(fù)不帶電狀態(tài)；當(dāng)外力方向改變，電荷極性隨之改變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，簡稱壓電效應(yīng)。第1頁/共51頁逆壓電效應(yīng) 若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場作用時(shí)，同樣會(huì)引起它內(nèi)部的正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生形變，且其應(yīng)變S與外電場強(qiáng)度E成正比：的轉(zhuǎn)置矩陣為逆壓電常數(shù)矩陣，是ddEdStt 這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮

2、。 可見，具有壓電特性的電介質(zhì)(壓電材料)能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換F 壓電效應(yīng)壓電晶體第2頁/共51頁 當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。第3頁/共51頁6.1.2 壓電材料主要特性參數(shù)： 壓電常數(shù)：衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，影響壓電輸出的靈敏度； 彈性常數(shù)：剛度決定壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性 介電常數(shù)：決定壓電器件的固有電容，固有電容影響壓電傳感器的頻率下限（C越大，頻率下限就越低）。 機(jī)械耦合系數(shù)：衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率。是轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根。 電

3、阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄露，改善傳感器的低頻特性。 居里點(diǎn)溫度：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。即工作溫度上限。第4頁/共51頁6.1.2.1壓電晶體 單晶體結(jié)構(gòu)：SiO2。正六面體。 各向異性： 由晶體學(xué)可知，無對(duì)稱中心的晶體，通常具有壓電效應(yīng)。l縱軸z：光軸，沿z軸方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。l電軸：x軸，電軸，垂直于此軸的面上壓電效應(yīng)明顯?？v向壓電效應(yīng)。l機(jī)械軸：y軸，切割方向，電場作用下沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯。橫向壓電效應(yīng)。第5頁/共51頁石英晶體壓電模型 外力0： 正負(fù)離子分布在正六邊形頂角上，形成三個(gè)互成120夾角的電偶極距P1，P2，P3。 P=ql，l是正負(fù)電荷之

4、間的距離。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合， 矢量和P1+P2+P3=0。晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈中性。第6頁/共51頁 Fx拉力（ Fy 壓力）： 晶體沿x方向壓縮變形，正負(fù)離子相對(duì)位置變動(dòng)。正負(fù)電荷重心不再重合， P1減小，P2，P3增加，使電偶極距在x方向上的分量不等于零，在x軸正方向出現(xiàn)負(fù)電荷；電偶極距在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。 Fx壓力（ Fy 拉力）： 晶體沿y方向壓縮變形，P1增大，P2，P3減小。電偶極距x方向上的分量不等于零，x軸正方向出現(xiàn)正電荷；電偶極距在y方向上分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。 Fz0：晶體在x,y方向產(chǎn)生的形變完全相同，正負(fù)電荷重心重合，電偶極距矢量和等于零，晶體不

5、會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第7頁/共51頁石英晶體石英晶體天然形成的石英晶體外形第8頁/共51頁天然形成的石英晶體外形（續(xù)）天然形成的石英晶體外形（續(xù)） 第9頁/共51頁石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝第10頁/共51頁石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振第11頁/共51頁2. 其它壓電單晶 鋰鹽類壓電和鐵電單晶材料。 時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)溫度高達(dá)1200C，在高溫、強(qiáng)輻射條件下仍具有良好的壓電效應(yīng)，且機(jī)械性能好，同時(shí)具有光電、聲光效應(yīng)。不足之處是質(zhì)地脆，抗機(jī)械和熱沖擊性差。

6、第12頁/共51頁6.1.2.2 壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷 。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷 （如BaTiO3等）。 壓電系數(shù)高，靈敏度較石英材料高，但工作溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。第13頁/共51頁 壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，它是由無數(shù)細(xì)微的單晶組成；所謂“鐵電體”，它具有類似鐵磁材料磁疇的“電疇”結(jié)構(gòu)。每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，無數(shù)單晶電疇的無規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓

7、電性(如圖6.4所示)。要使之具有壓電性，必須作極化處理，即在一定溫度下對(duì)其施加強(qiáng)直流電場，迫使“電疇”趨向外電場方向作規(guī)則排列如圖6.4(中)；極化電場去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性如圖6.4(右)。 1. 壓電陶瓷的極化處理第14頁/共51頁2. 常用壓電陶瓷常用壓電陶瓷(書書P138表表61) 壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形第15頁/共51頁無鉛壓電陶瓷及其換能器外形無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 （上海硅酸鹽研究所研制） 第16頁/共51頁6.1.2.3 新型壓電材料1、 壓電半導(dǎo)體 硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(Zno)、硫化鎘(CdS)、碲

8、化鋅(ZnTe)和砷化鎵(GaAs)等。 顯著特點(diǎn)：具有壓電效應(yīng)，又有半導(dǎo)體特性，可同時(shí)利用將兩者結(jié)合，集元件與電路于一體，形成新型集成壓電傳感器系統(tǒng)。 聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬。第17頁/共51頁高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜 第18頁/共51頁高分子壓電薄膜及拉制高分子壓電薄膜及拉制 第19頁/共51頁可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板可用于波

9、形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板 第20頁/共51頁壓電式腳踏報(bào)警器壓電式腳踏報(bào)警器 第21頁/共51頁6.2.2 壓電方程及壓電常數(shù)矩陣（略） 書P141圖6-7第22頁/共51頁6.3 等效電路及測量電路6.3.1. 等效電路 相對(duì)介電常數(shù)為r，極化面積為A，厚度為t的壓電片的兩電極出現(xiàn)等量異號(hào)的電荷，中間為絕緣體，可視為一個(gè)自源電容器：tACra0aaCQU(a) 當(dāng)需要壓電器件輸出電壓時(shí)，可等效為與電容串聯(lián)的電壓源，開路狀態(tài)輸出電壓及電壓靈敏度為：FCQFUKaau第23頁/共51頁(b)當(dāng)需要壓電器件輸出電荷時(shí)，可等效為與電容并聯(lián)的電荷源，開路狀態(tài)輸出電荷及電荷靈敏度為：aaUCQ F

10、UCFQKaaqKu與Kq之間存在如下關(guān)系：aquCKK 以上為理想等效電路，只有在壓電器件本身理想絕緣、無泄漏、輸出端開路條件下成立。第24頁/共51頁實(shí)際等效電路 考慮連接電纜分布電容Cc，放大器輸入電阻Ri 和電容Ci ，壓電傳感器泄露電阻Ra的影響。圖6.9 壓電傳感器等效電路和測量電路 (a)電壓源； (b)電荷源第25頁/共51頁6.3.2 測量電路測量電路的主要作用： 壓電傳感器內(nèi)阻較高，輸出能量較小，測量電路需要高輸入阻抗前置放大器。 阻抗匹配：將高輸出阻抗變換為低輸出阻抗； 信號(hào)放大：放大傳感器輸出的微弱信號(hào)（電壓、電荷）。常用的測量電路形式： 前置放大器：電壓放大器、電荷放

11、大器第26頁/共51頁6.3.2.1 電壓放大器（阻抗變換器）)(33/壓電陶瓷FdQCCCRRRRRiciaiatFFmsin壓力tFCdFCdCQUaaaasin/3333壓電器件的輸出電壓為：1. 壓電輸出特性第27頁/共51頁,故回路輸出電壓及靈敏度為：RCjRjdFUKRCjRjFdUtut1,13333/1RCjRIZIUtaaCjZUI1回路輸出電壓：靈敏度的幅值和相位為：,1233RCRdFUKtum)arctan(2RCaicCCCC令：第28頁/共51頁理想情況下時(shí)：1,icaiaCCCRRR無關(guān)與頻率，認(rèn)為時(shí)通常，測量電路時(shí)間常數(shù)測量回路角頻率相對(duì)電壓靈敏度：與頻率無關(guān)*

12、11122112*33*31)(1)(1)(1umumumumicaumKRCRCRCKKkKCCCdK2. 動(dòng)態(tài)特性輸出電壓靈敏度：第29頁/共51頁從圖中分析： (1) 高頻特性 當(dāng) 1時(shí)，即當(dāng)回路時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，被測量頻率越高，輸出電壓靈敏度越接近理想狀態(tài)。表明器件高頻響應(yīng)特性好。 （2）低頻特性當(dāng) 1時(shí)，即當(dāng)回路時(shí)間常數(shù)一定時(shí)，被測量頻率越低，輸出電壓靈敏度越偏離理想狀態(tài)。 動(dòng)態(tài)誤差=(k-1)*100%越大。相位角誤差也大。 為保證低頻工作時(shí)滿足一定的精度，必須增加時(shí)間常數(shù)RC。途徑一：增大C，但Kum將減小，不可?。煌緩蕉涸龃驲=RaRi/(Ra+Ri)，即要求放大器的輸入電阻R

13、i足夠大。第30頁/共51頁 設(shè)計(jì)和使用時(shí)應(yīng)注意設(shè)計(jì)和使用時(shí)應(yīng)注意: (1) 特性曲線顯示了被測角頻率特性曲線顯示了被測角頻率(=2f)、放大器、放大器輸入電阻輸入電阻Ri和動(dòng)態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差或相位角誤差之間的關(guān)系?；蛳辔唤钦`差之間的關(guān)系。因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用壓電傳感器時(shí)，可因此在設(shè)計(jì)和應(yīng)用壓電傳感器時(shí)，可根據(jù)給定的精度根據(jù)給定的精度，合理選擇，合理選擇Ri和和f 。 (2) 由于采用電壓放大器的壓電傳感器，其輸出由于采用電壓放大器的壓電傳感器，其輸出電壓受電纜分布電容電壓受電纜分布電容Cc的影響。壓電傳感器與前置放的影響。壓電傳感器與前置放大器之間大器之間連接電纜不能隨意更換連接電纜不能隨意更換

14、，否則將偏離原標(biāo)定，否則將偏離原標(biāo)定的靈敏度，引入測量誤差。的靈敏度，引入測量誤差。 解決辦法：將放大器放入傳感器中。解決辦法：將放大器放入傳感器中。 電壓放大器電路簡單、成本低、工作可靠。但不電壓放大器電路簡單、成本低、工作可靠。但不能用于靜態(tài)測量。能用于靜態(tài)測量。第31頁/共51頁1. 工作原理和輸出特性 電荷放大器將壓電器件高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為傳感器低內(nèi)阻的電壓源，以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并使輸出電壓正比于輸入電荷。且傳感器的靈敏度不受電纜變化影響。 輸入阻抗10101012歐，輸出阻抗小于100歐。 優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，傳感器靈敏度與電纜長度無關(guān)。 電荷放大器實(shí)際是具有深度負(fù)反饋的高增益放大器

15、，等效電路如下頁圖。 反饋電容Cf 、高增益運(yùn)算放大器A，開環(huán)增益足夠大，運(yùn)放輸入端電流幾乎為零，則推導(dǎo)得：6.3.2.2 電荷放大器第32頁/共51頁只與反饋電容有關(guān)輸出靈敏度：fuCK1pFCCQUCCCCCAACCAAQUffoicaffo48410100)(1,10101一般取則：當(dāng)其中，結(jié)論：電路線性好，電纜對(duì)性能無影響 反饋電容Cf 、高增益運(yùn)算放大器A，開環(huán)增益足夠大，運(yùn)放輸入端電流幾乎為零，則推導(dǎo)得：第33頁/共51頁2. 高低頻限高低頻限高頻上限高頻上限：kHzCCRCCRfcaccacH18021可高達(dá)都很小，因此上限頻率、由于低頻下限：)(10102141準(zhǔn)靜態(tài)故低頻下限

16、可達(dá)可做得很大，運(yùn)放的時(shí)間常數(shù)HzCRCRfffffL第34頁/共51頁四通道電荷放大器外形四通道電荷放大器外形 .第35頁/共51頁上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料） 靈 敏 度：0.11000mV/pC 頻率范圍：0.3100KHz 噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5V 準(zhǔn) 確 度：1% 最大輸出：10V/10mA 電 源：220V/50Hz 控制方式： 計(jì)算機(jī)或手動(dòng)第36頁/共51頁超小型電荷放大器模塊超小型電荷放大器模塊 主要指標(biāo): 靈 敏 度：1、10、100mV/pC(任選一檔) 頻

17、率范圍：0.3100KHz(上、下限可選) 噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV 歸 一 化：外接電阻調(diào)整 線性誤差：1% 最大輸出：5V或10V 電 源：6V15V 特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測試系統(tǒng)第37頁/共51頁其他電荷放大器外形其他電荷放大器外形面板式電荷放大器第38頁/共51頁其他電荷放大器外形（續(xù)）其他電荷放大器外形（續(xù)）第39頁/共51頁6.4 壓電式傳感器及其應(yīng)用 凡是利用壓電材料的各種物理效應(yīng)構(gòu)成的傳感器均稱為壓電傳感器；1.力電轉(zhuǎn)換的變形方式(P148表65) 受力及變形方式常用：厚度變形的壓縮式、剪切變形的剪切式第40頁/共51頁多片壓電材料的連接(a)并聯(lián)， U不變，2Q

18、 常用并聯(lián)；(b) 串聯(lián)，Q不變，2U2q2U2. 壓電元件的結(jié)構(gòu)和組合形式 壓電傳感器在壓力較低時(shí)線性度不好，因此加入預(yù)加力，稱預(yù)載，消除非線性，同時(shí)提高剛度。只有加預(yù)載才能測量拉力、交變力、剪力、扭矩。第41頁/共51頁連接連接方式方式特點(diǎn)特點(diǎn)說明說明備注備注并聯(lián)并聯(lián)電壓相等電壓相等電容相加電容相加電荷相加電荷相加傳感器時(shí)間常數(shù)增大，傳感器時(shí)間常數(shù)增大，電荷靈敏度增大，適電荷靈敏度增大，適用于電荷輸出、低頻用于電荷輸出、低頻信號(hào)測量的場合信號(hào)測量的場合每兩片晶每兩片晶層中間夾層中間夾墊金屬片墊金屬片作電極，作電極，引出導(dǎo)線引出導(dǎo)線串聯(lián)串聯(lián)電荷相等電荷相等電壓相加電壓相加電容減小電容減小傳感

19、器時(shí)間常數(shù)減小，傳感器時(shí)間常數(shù)減小，電壓靈敏度增大，適電壓靈敏度增大，適用于電壓輸出、高頻用于電壓輸出、高頻信號(hào)測量及回路高輸信號(hào)測量及回路高輸入阻抗的場合入阻抗的場合晶片之間晶片之間用導(dǎo)電膠用導(dǎo)電膠粘結(jié)，端粘結(jié)，端面用金屬面用金屬墊片引出墊片引出導(dǎo)線導(dǎo)線表66 壓電片串并聯(lián)組合的特點(diǎn)第42頁/共51頁壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 一、高分子壓電材料的應(yīng)用 1. 玻璃打碎報(bào)警裝置 將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。 粘貼位置第43頁/共51頁高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器高分子壓電材料制作的玻璃打碎傳感器質(zhì)量塊 將 厚 約 0 . 2 m m 左 右 的PVDF薄膜裁制成10 20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護(hù)膜覆蓋。 使用時(shí)，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動(dòng)