第十二次课第七章压电传感器5月27课件.ppt

1、热电效应热电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。前次课程简要回顾热电偶前次课程简要回顾热电偶原理热电效应原理热电效应温差电动势温差电动势TTANTTAtNdeKEA00)(1),(0TTAB接触电动势接触电动势BTATNNeKTABTEln)(ABTT0),()(),()(),(0000TTETETTETETTEAABBABAB)(0TEAB)(TEAB),(0TTEA),(0T

2、TEB忽略温差电势后有：忽略温差电势后有：CTfTTEAB)(),(0固定固定T0后有：后有：)()(),(00TETETTEABABAB热电效应热电效应热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。生热电动势。TT02)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电

3、偶回路的总热电动势。热电偶回路的总热电动势。TT0V3)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，果他们所产生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后两极配对后的热电动势可用下式求得：的热电动势可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACABABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律2022-11-196 第七章第七章 压电式传感器压电式

4、传感器n压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应效应,是典型的有源传感器。是典型的有源传感器。n当材料受力作用而变形时当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小,重量重量轻轻,工作频带宽等特点工作频带宽等特点,因此在各种动态力、因此在各种动态力、机械冲机械冲击与振动的测量击与振动的测量,以及声学、以及声学、医学、力学、宇航等方医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。面都得到了非常广泛的应用。2022-11-197一、一、压电效应

5、压电效应n天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力压力时，晶格时，晶格产生变形，表面产生产生变形，表面产生正电荷正电荷，电荷电荷Q Q与所施加的力与所施加的力F F成成正比正比，这种现象称为，这种现象称为压电效应压电效应。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。把这种机械能转为电能的现电荷的极性也随之改变。把这种机械能转为电能的现象象,称为称为“正压电效应正压电效应”。有一些人造的材料也具有。有一些人造的材料也具有压电效应。压电效应。n若在电介质的极

6、化方向上施加交变电压，它就会产生若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应）。（电致伸缩效应）。_y逆压电效应逆压电效应压电效应压电效应2022-11-198 在自然界中大多数晶体具有压电效应在自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微弱。随着对材料的深入研究十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。2022-11

7、-199二、压电材料及特性二、压电材料及特性n压电传感器中的压电元件材料一般有三类：压电传感器中的压电元件材料一般有三类：1.压电晶体（如石英晶体）；压电晶体（如石英晶体）；2.经过极化处理的压电陶瓷；经过极化处理的压电陶瓷；3.高分子压电材料。高分子压电材料。2022-11-19101、石英晶体、石英晶体n石英晶体是最常用的压电晶体之一。石英晶体是最常用的压电晶体之一。它理想的几何形状它理想的几何形状为正六面体晶柱。为正六面体晶柱。n在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z Z称为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的称为光轴；经过正六

8、面体棱线且垂直于光轴的x x轴称为电轴称为电轴；与轴；与x x轴和轴和z z轴同时垂直的轴同时垂直的y y轴称为机械轴。轴称为机械轴。xyz2022-11-1911石英晶体的三个晶轴石英晶体的三个晶轴n光学轴（基准轴，光学轴（基准轴，Z Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。象，该方向没有压电效应，光学方法确定。n机械轴（机械轴（Y Y轴）：垂直轴）：垂直xzxz面，在电场作用下，该轴方向的面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显，机械变形最明显，n电轴（电轴（X X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电轴）：经过晶体棱线

9、，垂直于该轴的表面上压电效应最强。效应最强。2022-11-19122、压电陶瓷、压电陶瓷n压电陶瓷与石英晶体不同，前者是压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体人工制造的多晶体压电材料，压电材料，而后者是单晶体。而后者是单晶体。n压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。压电系数，为石英晶体的几百倍。n压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构2022-11-1913压电

10、陶瓷产品压电陶瓷产品n压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）及非铅系压电陶瓷（如及非铅系压电陶瓷（如BaTiOBaTiO3 3等）。等）。2022-11-19143 3、高分子压电材料、高分子压电材料 n典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（典型的高分子压电材料有聚偏二

11、氟乙烯（PVFPVF2 2或或PVDFPVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚氯乙烯（）、改性聚氯乙烯（PVCPVC）等。）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB80dB。三、压电传感器的等效电路和测量电路三、压电传感器的等效电路和测量电路 以压电效应为基础的压电

12、传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。2022-11-1916三、压电传感器的等效电路和测量电路三、压电传感器的等效电路和测量电路 压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为0raSC 0 0为真空介电常数；为真空介电常数；r r为压电材料的相对

13、介电常数；为压电材料的相对介电常数；为压电元件的厚度；为压电元件的厚度；S S为压电元件极板面积。为压电元件极板面积。（一）等效电路（一）等效电路2022-11-1917aaaCaaaCaaaaCUqCUqa aCa aUq因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联。的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联。1 1、等效电路、等效电路电荷等效电路电荷等效电路电压等效电路电压等效电路2022-11-19192 2、完整等效电路完整等效电路 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容压电传感器与测量仪表联

14、接时，还必须考虑电缆电容C CC C，放大器的输入电阻，放大器的输入电阻R Ri i和输入电容和输入电容C Ci i以及传感器的以及传感器的泄漏电阻泄漏电阻R Ra a。压电传感器的实际等效电路压电传感器的实际等效电路2022-11-19203、灵敏度灵敏度既然压电传感器可以等效为电压源或电荷源，那既然压电传感器可以等效为电压源或电荷源，那么，压电传感器的灵敏度也有两种表示方式。么，压电传感器的灵敏度也有两种表示方式。a.a.一种用单位外力作用下产生的电压表示，称为电压一种用单位外力作用下产生的电压表示，称为电压灵敏度，用灵敏度，用k ku u表示，表示，k ku u=u/F=u/F；b.b.

15、另一种则可用单位外力作用下产生的电荷表示，称另一种则可用单位外力作用下产生的电荷表示，称为电荷灵敏度，用为电荷灵敏度，用k kq q表示，表示，k kq q=q/F=q/F。电压灵敏度与电荷灵敏度的关系电压灵敏度与电荷灵敏度的关系用下式表示：用下式表示：quakkC2022-11-1921（二）测量电路（二）测量电路n压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用：前置放大器，其作用：1.1.一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；一是把它的高输出阻

16、抗变换为低输出阻抗；2.2.二是放大传感器输出的微弱信号。二是放大传感器输出的微弱信号。n压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。和电荷放大器。2022-11-19221、电压放大器电压放大器n若压电元件受正弦力若压电元件受正弦力F=FF=Fm msintsint的作用的作用,则其电压为则其电压为wtCFdUamsin33n电电阻阻R=RR=Ra aR Ri i/(R/(Ra a+R+Ri i)n电电容容C=CC=Cc c+C+Ci i,nu u

17、a a=q/C=q/Ca atFdFdqmsin3333送入放大器输入端的电压为：送入放大器输入端的电压为：)(133aiCCjwRjwRFdUu ua aC Ca a2022-11-1923前置放大器的输入电压的幅值前置放大器的输入电压的幅值:)(12233CCRRFdUamim输入电压和作用力之间相位差输入电压和作用力之间相位差:)(arctan2RCCa理想情况下理想情况下,传感器的传感器的R Ra a电阻值与电阻值与前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻R Ri i都为无限大都为无限大,即即（C Ca a+C+C）R R1,1,那么理想情况那么理想情况下输入电压幅值下输入电压幅值U Ui

18、mim:CCFdUamim3322)()(1)(CCRCCRUUaaamim2022-11-1924)11CCRa（令：211211amimUU)(2)(21arctgarctg22)()(1)(CCRCCRUUaaamim2022-11-1925 讨论讨论v=0=0（静态量）时（静态量）时U Uimim=0=0（输入电压为零）（输入电压为零）原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量以不能测量静态量v33（高频情况），（高频情况），U Uimim/U/Uamam11，实际接近理想，实际接近理想输入电压与作用力频率无关输入电

19、压与作用力频率无关一定，一定，越高，高频响应越好越高，高频响应越好v对低频测量情况：对低频测量情况：一定，一定，偏差越大偏差越大所以要求所以要求要大，扩大低频响应范围要大，扩大低频响应范围v输出电压灵敏度受电缆分布电容影响输出电压灵敏度受电缆分布电容影响2022-11-1926 改善低频特性的措施：改善低频特性的措施：RCRC、2233)()(1CCRdFUkamim灵敏度：kC)(iaRRR、可根据给定精度合理选择电压放大器可根据给定精度合理选择电压放大器R Ri iCCdkRa3312022-11-19272、电荷放大器电荷放大器n为改善压电传感器的低频特性，常采用电荷放大器。为改善压电传

20、感器的低频特性，常采用电荷放大器。电荷放大器由一个反馈电容电荷放大器由一个反馈电容C Cf f和高增益运算放大器构和高增益运算放大器构成，电荷放大器等效电路：成，电荷放大器等效电路：qfoCqUn输出与电缆电容无关输出与电缆电容无关q电荷放大器的输出电压只取电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷和反馈电容，决于输入电荷和反馈电容，且与且与q q成正比，与电缆电容成正比，与电缆电容无关，因此可以采用长电缆无关，因此可以采用长电缆进行远距离测量，并且电缆进行远距离测量，并且电缆电容变化也不影响灵敏度，电容变化也不影响灵敏度，这是电荷放大器的这是电荷放大器的最大特点最大特点。2022-11-1928

21、电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（电压（Q/UQ/U转换器），但并无放大电荷的作用，只转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。是一种习惯叫法。四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形电荷放大器外形电荷放大器外形四、压电传感器应用四、压电传感器应用 压电传感器可以直接用于测力或测量与力有关的压力、位移、振动加速度等。（1）基座和外壳（2）压电元件（3）敏感元件（4）预载件（5）引线及插件2022-11-1930（一）压电式加速度传感器（一）压电式加速度传感器1 1、结构：压电片用高压电系数的压电陶瓷制成。两个、结构：压电片用高压电系数

22、的压电陶瓷制成。两个压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件压电片并联。质量块用高比重的金属块，对压电元件施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加施加预载荷。测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。速度的大小。基座基座壳体壳体弹簧弹簧质量块质量块压电片压电片F=ma,FaF=ma,Fa又又qFqFqaqa2022-11-1931（二）交通监测（二）交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停

23、车区域监控、交通数据信息采集（道路监磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。控）及机场滑行道等。2022-11-1932高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距将两根高分子压电电缆相距若干米若干米，平行埋设于柏油公路的，平行埋设于柏油公路的路面下约路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。2022-11-1933（三）（三）压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器n将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻将

24、高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。警系统。粘贴粘贴位置位置使用时，用瞬干胶将使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生剧烈振动，表面产生电荷电荷Q Q ，在两个输出，在两个输出引脚之间产生窄脉冲引脚之间产生窄脉冲报警信号。报警信号。2022-11-1934带通滤波带通滤波使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，使玻璃振动频率范围内的输出电压信号通过，其它频段的信号滤除。其它频段的信号滤

25、除。比较器比较器作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时作用是当传感器输出信号高于设定的阈值时,输出报警信号输出报警信号,驱动报警执行机构工作。如进行声光驱动报警执行机构工作。如进行声光报警。报警。2022-11-1935（四）压电式动态力传感器以（四）压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的及在车床中用于动态切削力的测量测量 2022-11-1936（五）压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用（五）压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分析压电式步态分析跑台跑台压电式纵跳训练分析压电式纵跳训练分析装置装置压电传感器测量双腿压电传感器测量双腿跳的动态力跳的动态力2022-11-1937思考题思考题1.1.什么是正压电效应和逆压电什么是正压电效应和逆压电效应？效应？2.2.压电传感器能否用于静态测压电传感器能否用于静态测量量?3.3.电荷放大器和电压放大器有电荷放大器和电压放大器有何特点？何特点？简要复习简要复习2022-11-19第四章 非电量的电测技术381.理解压电传感器工作原理；2.会分析设计等效电路、测量电路；3.会使用压电传感器预习：霍尔传感器