新编-第7章压电式传感器1128-精品课件.ppt

1、 压电式传感器是一种典型的压电式传感器是一种典型的发电型发电型传感器，是以传感器，是以某些某些电介质的电介质的压电效应压电效应为基础，在外力作用下，在电为基础，在外力作用下，在电介质的介质的表面上表面上产生电荷，从而实现非电量测量。产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对压电式传感器可以对各种各种动态动态力、机械冲击和振力、机械冲击和振动等动等进行测量，即它只能测动态的量，不能测静态的进行测量，即它只能测动态的量，不能测静态的量量。第第7 7章章 压电式传感器压电式传感器7.1 7.1 压电效应压电效应 一、一、压电效应压电效应 某些电介质某些电介质,当当沿着沿着一定方向一定方向对其施

2、力而使它变形对其施力而使它变形时时,其内部就产生极化现象其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位内部正负电荷中心相对位移移）,同时在它的同时在它的两个表面上两个表面上便产生便产生符号相反符号相反的电荷的电荷,当外力去掉后当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象其又重新恢复到不带电状态，这种现象称称压电效应。压电效应。当作用力方向改变时当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。电荷的极性也随之改变。这这种由种由机械能机械能转为转为电能电能的现象的现象,称为称为“正压电效应正压电效应”。当在电介质极化方向施加当在电介质极化方向施加电场电场,这些电介质也会产这些电介质也会产生生变形变形,

3、这种现象称为这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸缩效（电致伸缩效应）。应）。可将可将电能电能转换为转换为机械能机械能。_y+正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应 压电元件受力后，表面电荷压电元件受力后，表面电荷Q与外力与外力F成正比成正比关系，关系，压电效应表达式：压电效应表达式：QdFd压电系数；压电系数；F外作用力外作用力;电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应7.2 7.2 压电材料压电材料 具有压电效应的材料称为具有压电效应的材料称为压电材料压电材料,压电材料能实压电材料能实现机现机电能量的电能量的相互转换相互转换。在自然界中大多数晶体具有压电效应在自

4、然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应但压电效应十分十分微弱微弱。随着对材料的深入研究随着对材料的深入研究,目前应用较多的压电材料目前应用较多的压电材料主要有三种：主要有三种：压电晶体；压电晶体；压电陶瓷；压电陶瓷；高分子压电材料高分子压电材料。1、单晶体、单晶体石英晶体石英晶体 石英晶体石英晶体是是天然的天然的单晶体结构。它是单晶体结构。它是一个正六面体，有一个正六面体，有右旋右旋和和左旋左旋晶体之分，外晶体之分，外形互为镜像对称。形互为镜像对称。下面是石英晶体的实物图下面是石英晶体的实物图 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续

5、）电轴电轴（X轴）：垂轴）：垂直于此轴面上的压直于此轴面上的压电效应最强。电效应最强。机械轴机械轴（Y轴）：轴）：垂直于棱柱面。在垂直于棱柱面。在电场（沿电场（沿X向）作向）作用下，沿用下，沿Y轴方向轴方向的机械变形最大。的机械变形最大。YZXY(a)(b)石英晶体石英晶体(a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 (b)坐标系坐标系ZX在晶体学中石英晶体可以用三根互相垂直的轴来表示，在晶体学中石英晶体可以用三根互相垂直的轴来表示，光轴光轴（Z Z轴）：垂直于轴）：垂直于XYXY平面。光线沿该轴通过石英晶体时，平面。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射（即发生全反射），在此方向加外力，无压电效应无

6、折射（即发生全反射），在此方向加外力，无压电效应现象现象。压电效应的压电效应的物理解释物理解释 石英晶体石英晶体sio2，3个硅离子个硅离子Si4+离子离子,6个氧离子个氧离子O2-，两两成对。微观分子结构为一个，两两成对。微观分子结构为一个正六边形正六边形。垂直于垂直于X轴端面有无数个此分子结构。轴端面有无数个此分子结构。（1 1）未受外力作用时未受外力作用时,正、正、负离子正好分布在正六边负离子正好分布在正六边形的形的顶角顶角上上,形成三个互形成三个互成成120120夹角的夹角的电偶极矩电偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3。如图。如图a a所示。所示。P P1 1+P P2 2

7、+P+P3 3=0=0。正负电荷中心重正负电荷中心重合合，晶体垂直，晶体垂直X X轴表面不产轴表面不产生电荷生电荷-呈中性呈中性。从从QQ指向指向+Q+Q的矢径的矢径l l和电量和电量Q Q的乘积定义为的乘积定义为电电偶极矩偶极矩，通常用矢量，通常用矢量p p表示。表示。（2）受受x轴方向的轴方向的压力压力作用时作用时,晶体沿晶体沿x方向将产生方向将产生压缩变形压缩变形,正负离子的正负离子的相对位置相对位置也随之变也随之变动。如图（动。如图（b）所示）所示,此时此时正负正负电荷重心不再重合电荷重心不再重合,电偶极矩电偶极矩在在x方向上的方向上的分量分量由于由于P1的减的减小和小和P2、P3的增

8、加而不等于零的增加而不等于零,即（即（P1+P2+P3）0。在在x轴正方向出现正轴正方向出现正电荷电荷,在在y轴方向上不轴方向上不出现电荷出现电荷。补充两个概念补充两个概念 极化极化：指事物在一定条件下发生：指事物在一定条件下发生两极分化两极分化，使，使其其性质性质相对于原来状态有所偏离的现象。如分子极化、相对于原来状态有所偏离的现象。如分子极化、光子极化光子极化(偏振偏振)、电极极化等。、电极极化等。具有自发极化的晶体中存在一些具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向自发极化取向一致一致的的微小区域微小区域,称为称为电畴电畴.未加电场未加电场 材料内部的晶粒有许材料内部的晶粒有许多多自发自发

9、极化的极化的电畴电畴,它有它有一定的极化方向一定的极化方向,从而存从而存在电场。在电场。在无外电场作用时在无外电场作用时,电畴在晶体中电畴在晶体中杂乱杂乱分布分布,它们的它们的极化效应被极化效应被相互抵消相互抵消,压电陶瓷内极化强度为压电陶瓷内极化强度为零零。因此原。因此原始的压电陶瓷始的压电陶瓷呈中性呈中性,不具有压电性质。不具有压电性质。2、多晶体多晶体压电陶瓷（压电陶瓷（人工制造人工制造的的多晶体多晶体压电材料）压电材料）压电陶瓷的极化特性压电陶瓷的极化特性 加电场加电场 电畴方向发生转动电畴方向发生转动,趋向于趋向于按外电场的方向按外电场的方向排列排列,从而使材料得到从而使材料得到极化

10、。极化。外电场愈强外电场愈强,就就有更多的电畴更完全地有更多的电畴更完全地转向外电场方向。转向外电场方向。让外电场强度让外电场强度大到大到使材料的极化达到使材料的极化达到饱和的程度饱和的程度,即即所有电畴极化方向都所有电畴极化方向都整齐地整齐地与外电场方向一致时与外电场方向一致时,外电场外电场去掉后去掉后,电畴的极化方向电畴的极化方向基本不变基本不变,即剩余极化强度很大即剩余极化强度很大,这时的材料具有压电特性。这时的材料具有压电特性。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 压电陶瓷外形压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷

11、及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制）7.3 7.3 等效电路与测量电路等效电路与测量电路一、一、压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路aQUC 从前面分析可知，压电元件在受到外力作用时，会在从前面分析可知，压电元件在受到外力作用时，会在一个电极表面聚集正电荷，在另一个表面聚集负电荷，因一个电极表面聚集正电荷，在另一个表面聚集负电荷，因此，压电式传感器可以看成一个电荷发生器或者看成一个此，压电式传感器可以看成一个电荷发生器或者看成一个电容器，若已知压电片面积为电容器，若已知压电片面积为S S，压电片厚度为，压电片厚度为，压电材，压电材料的相对介电常数为料的相对介电

12、常数为，则等效电容器的电容值为：，则等效电容器的电容值为：压电元件受外力时，两表面产生压电元件受外力时，两表面产生等量的等量的正、负电荷，正、负电荷，压电元件的开路电压为压电元件的开路电压为：SC 压电式传感器作为压电式传感器作为压力传感器压力传感器使用时，可等效使用时，可等效为如图为如图(a)所示的所示的电压源电压源,也可等效为一个也可等效为一个电荷源电荷源，如图如图(b)所示。所示。压电传感器电压源与电荷源等效电路压电传感器电压源与电荷源等效电路 压电式传感器与压电式传感器与测量电路连接时测量电路连接时，还，还应考虑应考虑连连接线路的接线路的分布电容分布电容Cc，放大电路的，放大电路的输入

13、电阻输入电阻Ri，放，放大电路的大电路的输入电容输入电容Ci及压电式传感器的及压电式传感器的内阻内阻Ra。压电传感器实际等效电路压电传感器实际等效电路电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：（电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：（P109）quakkC 二、二、压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 测量时，需把压电传感器用电缆接于测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大前置放大 器器(电压放电器和电荷放电器电压放电器和电荷放电器)，前置放大器，前置放大器作用作用：一是放大传感器输出的一是放大传感器输出的微弱信号微弱信号;二是把它的二是把它的高输出阻抗高输出阻抗变换为变换为低输出阻抗低输出阻

14、抗.1、电压放大器、电压放大器(阻抗变换器阻抗变换器)等效电阻/aiRRR等效电容aiCCCaiaiR RRRsinsinmmadFutUtC 若压电元件在若压电元件在正弦力正弦力作用下，即作用下，即 F=FmSint,则则所产生的电荷与电压也按正弦规律变化为：所产生的电荷与电压也按正弦规律变化为：1111()11aiaaRj CRj RCj CUuuj R CCRj Cj CRj C送入送入放大器放大器输入端的电压为：输入端的电压为：sin1()sin1()maaamadFtj RCCj R CCj RdFtj R CC222222)(1)(1ciamciamimCCCRdFCCCRRdFU

15、幅值为2221()imumaicUdKFCCCR传感器传感器电压灵敏度电压灵敏度为：为：1R高频imimaicdFUCCC为定值。1R低频较大，输出电压很小，不宜测。222)(1ciamimCCCRdFU2.电荷放大器电荷放大器(P111)为解决压电式传感器电缆分布电容对传感器灵为解决压电式传感器电缆分布电容对传感器灵敏度的影响和低频响应差的缺点，可采用电荷放大敏度的影响和低频响应差的缺点，可采用电荷放大器与传感器连接，等效电路图如下图，其可看作是器与传感器连接，等效电路图如下图，其可看作是电荷电荷负负反馈电路。反馈电路。电荷放大器等效电路图电荷放大器等效电路图iFQQQ净输入电荷反馈电容上电

16、荷为000)()FiffUQUUCUCA（0(1)fUACA 式中：式中：QF反馈电容上的电荷；反馈电容上的电荷；Ui 运算放大器的输入电压；运算放大器的输入电压；A 运算放大器的放大倍数；运算放大器的放大倍数；aQUCUiQiQFff00fFi0iiCQC)A1(CAQUUAC)A1(CQQQAUCCUQ特点：特点：电荷放大器的输出电压只与反馈电容电荷放大器的输出电压只与反馈电容C Cf f有关，而与电缆电容有关，而与电缆电容C CC C无关无关，即与电缆长度无，即与电缆长度无关，关，更换电缆更换电缆不影响不影响传感器灵敏度，且输出电传感器灵敏度，且输出电压与电荷成正比。压与电荷成正比。aQ

17、UC式中式中C-Ca、Cc、Ci的等效电容的等效电容一、压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 检测原理检测原理:它利用压电元件对它利用压电元件对振动敏感振动敏感的特的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波振动波。7.4 7.4 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 传感器把传感器把振动波振动波转换成转换成电压输出电压输出，输出电压经放，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。带通滤波带通滤波使玻璃振动频率范围内的使玻璃振动频率范围内的输出电压信号输出电压信号通过通过，其它频段的信号滤除。，其它频段的信号滤除。

18、比较器作用比较器作用是当传感器输出信号高于是当传感器输出信号高于设定的阈设定的阈值值时时,输出报警信号输出报警信号,驱动报警执行机构工作。如：驱动报警执行机构工作。如：进行声光报警。进行声光报警。二、煤气灶电子点火装置二、煤气灶电子点火装置 煤气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置原理原理是利用是利用高压跳火高压跳火来点燃煤气。当来点燃煤气。当使用者将开关往里压时，把气阀打开；将开关旋转，则使弹簧使用者将开关往里压时，把气阀打开；将开关旋转，则使弹簧往左压；此时，弹簧有一很大的往左压；此时，弹簧有一很大的力撞击力撞击压电晶体压电晶体，则产生，则产生高压高压放电，导致燃烧盘点火。放电，导致燃烧盘点火。在工程和机械加工中，压电在工程和机械加工中，压电力传感器可用于测量各种机械力传感器可用于测量各种机械设备及部件所受的冲击力。例设备及部件所受的冲击力。例如锻造工作中的锻锤、打夯机、如锻造工作中的锻锤、打夯机、打桩机、振动给料机的激振器、打桩机、振动给料机的激振器、地质钻机钻探冲击器、船舶、地质钻机钻探冲击器、船舶、车辆碰撞等机械设备冲击力的车辆碰撞等机械设备冲击力的测量，均可采用压电力传感器。测量，均可采用压电力传感器。煤气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置 作业：作业：P113 1,4