传感器感测技术第4章重点.ppt

传感器感测技术第4章重点一、又称自发电式传感器及电势式传感器一、又称自发电式传感器及电势式传感器 是一种典型的有源传感器是一种典型的有源传感器 是一种能量转换型传感器是一种能量转换型传感器二、特点二、特点 体积小，重量轻，固有频率高，配上适当的电荷体积小，重量轻，固有频率高，配上适当的电荷放大器，能在放大器，能在0Hz~10KHz的范围内工作；的范围内工作； 适合测量变化迅速的参数，适于动态测量；适合测量变化迅速的参数，适于动态测量； 测量的力值范围测量的力值范围:上百吨上百吨——几克传感器感测技术第4章重点三、应用三、应用 目前多用于加速度和动态力或压力的测量目前多用于加速度和动态力或压力的测量 在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波在超声波、水声换能器、拾音器、传声器、滤波器、煤气点火等方面应用已很普遍器、煤气点火等方面应用已很普遍传感器感测技术第4章重点一、基本原理一、基本原理 基于压电效应基于压电效应二、压电效应（二、压电效应（1）） 某些晶体在一定方向的外力作用下，几何尺寸改某些晶体在一定方向的外力作用下，几何尺寸改变，晶体内部产生极化现象，表面形成电场。

外力去变，晶体内部产生极化现象，表面形成电场外力去除后，表面恢复到不带电的状态除后，表面恢复到不带电的状态机械能机械能电能电能：正压电效应：正压电效应 力学压电传感器都是利用正压电效应工作的力学压电传感器都是利用正压电效应工作的传感器感测技术第4章重点二、压电效应（二、压电效应（2）） 反之，若将该材料置于交变的电场中，在外电场反之，若将该材料置于交变的电场中，在外电场的作用下，该材料本身产生机械变形的作用下，该材料本身产生机械变形 注：并不是所有压电晶体都能在各种变形条件下注：并不是所有压电晶体都能在各种变形条件下产生压电效应产生压电效应电能电能机械能机械能：逆压电效应：逆压电效应/电致伸缩效应电致伸缩效应传感器感测技术第4章重点一、选取要求一、选取要求 1）具有较大的压电常数；）具有较大的压电常数； 2）机械强度高，具有较高的固有振动频率；）机械强度高，具有较高的固有振动频率； 3）有较高的电阻率，较大的介电常数；）有较高的电阻率，较大的介电常数； 4）压电特性有较好的时间稳定性；）压电特性有较好的时间稳定性； 5）有较高居里点。

有较高居里点居里点：在压电性能破坏时的温度转折点传感器感测技术第4章重点二、常见的压电材料（二、常见的压电材料（压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料）） 1、石英晶体、石英晶体 有天然和人工制造两种有天然和人工制造两种 特性：特性：a、有理想的线性，转换效率高，一般无、有理想的线性，转换效率高，一般无滞后现象，频率响应范围宽，固有频率高；滞后现象，频率响应范围宽，固有频率高； b、稳定性好，时间老化率低，有很大的、稳定性好，时间老化率低，有很大的机械强度和稳定的机械性能，有较高的绝缘阻抗；机械强度和稳定的机械性能，有较高的绝缘阻抗； c、居里点高（、居里点高（573℃℃）灵敏度变化小，）灵敏度变化小，在几百摄氏度以内，压电系数不随温度变化；在几百摄氏度以内，压电系数不随温度变化； 但石英晶体的灵敏度低，介电常数小但石英晶体的灵敏度低，介电常数小传感器感测技术第4章重点 2、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体 这一类包括酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等。

这一类包括酒石酸钾钠、硫酸锂、磷酸二氢钾等 特性：有较高的压电系数和介电常数；特性：有较高的压电系数和介电常数； 易于受潮，且机械强度较低易于受潮，且机械强度较低 适用于室温和湿度较低的环境下适用于室温和湿度较低的环境下 3、铌酸锂晶体、铌酸锂晶体 是一种透明单晶，熔点为是一种透明单晶，熔点为1250 ℃℃ ，居里点为，居里点为1210 ℃℃ 特性：有良好的压电性能和时间稳定性特性：有良好的压电性能和时间稳定性 适用于耐高温的传感器适用于耐高温的传感器传感器感测技术第4章重点 4、压电陶瓷（、压电陶瓷（人工制作的多晶体，应用普遍人工制作的多晶体，应用普遍 特点：烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等特点：烧制方便、耐湿、耐高温、易于成型等 按材料组成成分不同可分为以下几种：按材料组成成分不同可分为以下几种： a、钛酸钡压电陶瓷：较高的压电系数和介电常、钛酸钡压电陶瓷：较高的压电系数和介电常数，数，居里点较低（居里点较低（120 ℃℃ ）），机械强度不如石英，机械强度不如石英。

b、、锆钛酸铅系压电陶瓷：较高的压电系数和居锆钛酸铅系压电陶瓷：较高的压电系数和居里点（里点（300℃℃以上以上） c、铌酸盐系压电陶瓷：铌酸铅居里点高，介电、铌酸盐系压电陶瓷：铌酸铅居里点高，介电常数低；铌酸钾居里点常数低；铌酸钾居里点435 ℃℃ ，用于水声传感器用于水声传感器 d、铌镁酸铅压电陶瓷：一种由三元素组成的新、铌镁酸铅压电陶瓷：一种由三元素组成的新型陶瓷 压电系数和居里点较高，可在较高压力下压电系数和居里点较高，可在较高压力下工作，适合作为高温下的力传感器工作，适合作为高温下的力传感器传感器感测技术第4章重点 5、压电半导体、压电半导体 具有半导体特性和压电性能具有半导体特性和压电性能 可有集转换元件和电子线路为一体的新型传感器可有集转换元件和电子线路为一体的新型传感器 6、高分子压电材料、高分子压电材料 某些合成高分子聚合物薄膜延伸拉展和电极化后，某些合成高分子聚合物薄膜延伸拉展和电极化后，就有一定压电性能就有一定压电性能 特点：柔软，不易破碎，可大量生产，制成较大特点：柔软，不易破碎，可大量生产，制成较大面积。

面积 若压电陶瓷粉末加入高分子化合物，可制成高分若压电陶瓷粉末加入高分子化合物，可制成高分子子-压电陶瓷薄膜，具有双重特性的新压电材料压电陶瓷薄膜，具有双重特性的新压电材料传感器感测技术第4章重点一、石英晶体的压电效应一、石英晶体的压电效应 1、结构、结构zxyo 石英晶体即石英晶体即SiO2无水化合物无水化合物通常以直角坐标来表征其方向性通常以直角坐标来表征其方向性其中：其中：x轴轴-电轴；电轴； y轴轴-机械轴机械轴/中性轴；中性轴； z轴轴-光轴，晶体的对称轴光轴，晶体的对称轴传感器感测技术第4章重点 2、石英晶体的三种压电效应、石英晶体的三种压电效应 1）纵向压电效应）纵向压电效应(x轴方向受力，垂直于轴方向受力，垂直于x轴的平面轴的平面上产生电荷，电荷与晶片尺寸无关上产生电荷，电荷与晶片尺寸无关)twFxzyxlxyzFx- - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + +Fx 关系式：关系式：xFdQ11= d11 为石英晶体纵向压电常数，为石英晶体纵向压电常数，C/N。

传感器感测技术第4章重点 2）横向压电效应（）横向压电效应（沿沿y轴方向受力，垂直于轴方向受力，垂直于x轴的平轴的平面上产生电荷，电荷与晶片尺寸有关面上产生电荷，电荷与晶片尺寸有关 ）） 关系式：关系式： l 为石英晶体片长度；为石英晶体片长度； t 为晶体片厚度为晶体片厚度twFyzyxlFyxyz- - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + +FyFyyFtl-dQ11=传感器感测技术第4章重点 3）剪切效应）剪切效应 关系式：关系式： d26 为石英晶体的横向压电常数，为石英晶体的横向压电常数，C/Nxyz- - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + 垂直于垂直于y轴，轴，沿沿x轴方向受剪切力轴方向受剪切力T作用，作用，受力表面上电荷与受力表面上电荷与石英片几何尺寸无关，与剪切力成正比。

石英片几何尺寸无关，与剪切力成正比TdQ26=-2d11=T传感器感测技术第4章重点 压电式传感器可根据石英晶体的压电效应进行工压电式传感器可根据石英晶体的压电效应进行工作 但石英晶体资源少、价格较贵，一般只是在校准但石英晶体资源少、价格较贵，一般只是在校准用的标准传感器或精度要求很高的传感器中才用大用的标准传感器或精度要求很高的传感器中才用大多数压电传感器采用压电陶瓷作压电元件多数压电传感器采用压电陶瓷作压电元件传感器感测技术第4章重点二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应 原始的压电陶瓷不具有压电性原始的压电陶瓷不具有压电性 内部有许多电畴，极化前，电畴是无规则排列的；内部有许多电畴，极化前，电畴是无规则排列的；在一定温度下，以强电场作用后，内部电畴规则排列，在一定温度下，以强电场作用后，内部电畴规则排列，呈现压电特性呈现压电特性传感器感测技术第4章重点 极化后的压电陶瓷没有极化现象，是因为表面上极化后的压电陶瓷没有极化现象，是因为表面上由自由电子中和了由自由电子中和了 施加沿极化方向的外力作用时，在垂直于极化方施加沿极化方向的外力作用时，在垂直于极化方向的平面上释放电荷。

电荷正比于外力大小向的平面上释放电荷电荷正比于外力大小 注：刚极化的压电陶瓷特性不稳定，须经注：刚极化的压电陶瓷特性不稳定，须经2、、3个月但如使用时间长，则需经常校准但如使用时间长，则需经常校准传感器感测技术第4章重点一、压电元件的常用形式一、压电元件的常用形式 在压电式传感器中，为提高灵敏度，使用时，在压电式传感器中，为提高灵敏度，使用时，常将几片同型号的压电元件组合在一起常将几片同型号的压电元件组合在一起 常见的压电元件方式有常见的压电元件方式有2种：种： 并连接法；并连接法； 串连接法串连接法传感器感测技术第4章重点 1、并连接法、并连接法 将压电元件的负极相连将压电元件的负极相连 特点：输出电荷大、本身电容大、时间常数大特点：输出电荷大、本身电容大、时间常数大 适于测量缓变信号，以电荷量为输出的场合适于测量缓变信号，以电荷量为输出的场合传感器感测技术第4章重点 2、串连接法、串连接法特点：输出电压大、本身电容小特点：输出电压大、本身电容小 适于测量电路输入阻抗高及以电压为输出的适于测量电路输入阻抗高及以电压为输出的场合。

场合另：为改善压电传感器在低压使用时的非线性，在压另：为改善压电传感器在低压使用时的非线性，在压电或力学传感器中都预加载荷，保证输出与作用力的电或力学传感器中都预加载荷，保证输出与作用力的线性关系线性关系传感器感测技术第4章重点二、压电元件的等效电路二、压电元件的等效电路 如图如图:CaUoRaQ Q是压电元件受力后产生的电荷，是压电元件受力后产生的电荷，Uo是电极板间是电极板间电位差Ca是极板间电容，是极板间电容，Ra是极板间绝缘电阻是极板间绝缘电阻 压电传感器中的内阻都很高，输出功率很小，压电传感器中的内阻都很高，输出功率很小，需要经过阻抗变换和信号放大才能显示、记录和使用需要经过阻抗变换和信号放大才能显示、记录和使用在压电元件和测量电路中间配接放大器在压电元件和测量电路中间配接放大器传感器感测技术第4章重点三、放大器电路三、放大器电路 1、作用、作用 把压电元件微弱的信号放大；把压电元件微弱的信号放大； 把压电元件的高阻抗输入变为低阻抗输出把压电元件的高阻抗输入变为低阻抗输出 2、形式、形式 电荷放大器；电荷放大器； 电压放大器。

电压放大器传感器感测技术第4章重点 3、电荷放大器、电荷放大器 一种利用电容进行负反馈的高放大倍数运算放一种利用电容进行负反馈的高放大倍数运算放大器CaUoutQ-ACoCfCi 电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比电荷放大器的输出电压与输入电荷成正比 电荷放大器的输出电压只与压电元件产生的电电荷放大器的输出电压只与压电元件产生的电荷和反馈电容有关，与连接电缆的分布电容无关荷和反馈电容有关，与连接电缆的分布电容无关传感器感测技术第4章重点 4、电压放大器、电压放大器 又称阻抗放大器又称阻抗放大器 要求放大器输入电阻尽量高，以避免引起较大要求放大器输入电阻尽量高，以避免引起较大误差 电压放大器与压电传感器间的连接电缆不能随电压放大器与压电传感器间的连接电缆不能随意更改，否则会引入测量误差意更改，否则会引入测量误差传感器感测技术第4章重点一、指套式电子血压计一、指套式电子血压计 利用放大指套上的压电传感器，把手指的血压利用放大指套上的压电传感器，把手指的血压变为电信号，由电子检测电路处理后直接显示出血压变为电信号，由电子检测电路处理后直接显示出血压值。

值120/70电子电路指套压力源传感器感测技术第4章重点电子血压计的电路框图：电子血压计的电路框图：时钟放大器译码驱动幅值比较器压电传感器移位寄存器+5V显示器门控触发A/D幅值比较器移位寄存器译码驱动显示器传感器感测技术第4章重点二、振动测量仪二、振动测量仪 原理：在压电式传感器测试电路中，电荷是与原理：在压电式传感器测试电路中，电荷是与加速度成正比，如把测得的信号加以积分，就能获得加速度成正比，如把测得的信号加以积分，就能获得振动速度和振幅参数振动速度和振幅参数 该振动仪可测量该振动仪可测量0.4~80cm的振动速度，的振动速度，4µm~8cm的振幅，的振幅，160µg~10g的加速度的加速度传感器感测技术第4章重点振动测量仪电路图：振动测量仪电路图：压电元件 C39600p C2125p C62000p C59500p C40.0235μ R3250k R42M R25M R1 10M C1 A VD S输出传感器感测技术第4章重点三、压电加速度传感器 被测对象的振动 为 xi，质量m相 对于底座的振动 为x0 。

图:惯性式传感器（a）线位移式 （b）旋转式 传感器感测技术第4章重点•压电加速度传感器的分类：图: 压电加速度传感器设计类型（a）周边压缩式 （b）中心压缩式 （c）倒置式中心压缩式 （d）剪切式 传感器感测技术第4章重点。