第三章压电式传感器资料.ppt

是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用3.5.4 压电式力传感器,,压电效应产生的电荷密度 与外应力张量T成正比，即 式中，d—压电常数矩阵 压电效应具有可逆性，即当对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变量与外电场强度成正比这种现象称为逆压电现象．或称电致伸缩1、 原 理,,,一、压电效应 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。

电能,机械能,,,正压电效应,逆压电效应,（一）石英晶体的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴Z,X,Y,(a),(b),石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Z,Y,X,通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-b),(a),+,+,-,-,-,,,,Y,X,X,,Y,硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影,+,,当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。

此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1＋P2＋P3＝0,当晶体受到沿X方向的压力（FX0,在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷Y,,,,,,,,,,,,,,,,,+,+,+,-,-,-,,X,(a) FX=0,P1,P2,P3,,FX,,X,,Y,,+,+,+,+,－,－,－,－,FX,(b) FX0,,,,,,,,,,+,+,,+,-,-,,-,,,,,,P1,P2,P3,,,,,,可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似当FY＞0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0,(c) FX0,,Y,,,,,,,,+,,+,,+,,-,,-,,,X,,-,,,,+,+,+,－,－,－,FX,FX,P2,P3,P1,+,－,,,,,,当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情况如图（c）。

此时电极矩的三个分量为,在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷三、 压电式传感器的测量电路 （一）等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)其电容量为,,,,,,＋＋＋＋,――――,q,q,电极,压电晶体,,,,,,,Ca,,(b),(a),压电传感器的等效电路,,,,,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为,因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差事实上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。

压电传感器的完整等效电路,Ca传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容 Ra传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻,可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差二） 测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用： 把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出； 放大压电式传感器输出的弱信号 前置放大器形式： 电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比； 电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比 1、电压放大器,2、电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图若放大器的开环增益A0足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路CF与RF由图可知i的表达式为：,,根据上式画出等效电路图,CF、RF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1＋A0)倍。

电导1／RF也增大了(1＋A0)倍所以图中C΄=(1＋A0)CF；1/R΄=(1＋A0)1／RF，这就是所谓“密勒效应”的结果运放输入电压,输出电压,四、压电式传感器的应用 （一）压电式加速度传感器 （二）压电式压力传感器 （三）压电式流量计 （四）集成压电式传感器 （五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用,当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力F＝ma同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,运动方向,2,1,3,4,5,纵向效应型加速度 传感器的截面图,（一） 压电式加速度传感器 其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种纵向效应是最常见的,如图压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起输出信号由电极1引出q＝d33F＝d33ma,此式表明电荷量直接反映加速度大小其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。

此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度连接方式：图(a)为并联形式，片上的负极集中在中间极上，其输出电容C΄为单片电容C的两倍，但输出电压U΄等于单片电压U，极板上电荷量q΄为单片电荷量q的两倍，即 图(b)为串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消从图中可知，输出的总电荷q΄等于单,片电荷q，而输出电压U΄为单片电压U的二倍，总电容C΄为单片电容C的一半，即,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,+,+,－,－,(a)并联,(b)串联,叠层式压电元件,,,,,,+,+,－,+,+,－,－,并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合 串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合二） 压电式压力传感器 根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式但它们的基本原理相同 压电式测压传感器的原理简图它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。

在一个压电片上所产生的电荷q为,F——作用于压电片上的力； d11——压电系数； P——压强， ； S——膜片的有效面积1,2,3,4,5,6,p,压电式测压传感器原理图,测压传感器的输入量为压力P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：,因为 ，所以电压灵敏度也可表示为 U0——压电片输出电压；C0——压电片等效电容,电荷灵敏度,电压灵敏度,电荷灵敏度,（三） 压电式流量计 利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比据这个关系，可精确测定流速流速与管道横截面积的乘积等于流量此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况,（四）集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。

该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域脉搏计照片,典型应用： ·脉搏计数探测 ·按键键盘，触摸键盘 ·振动、冲击、碰撞报警 ·振动加速度测量 ·管道压力波动 ·其它机电转换、动态力检测等,力敏元件主要性能指标： 压力范围 ≤ 1kPa 灵敏度 ≥ 0.2ｍV/Pａ 非线性度 ≤ 1％ F.S 频率响应 1～1000Hz 标准工作电压 4.5V（DC） 扩充工作电压 3～15V(DC) 标准负载电阻 2.2kΩ 扩充电阻 1kΩ～12kΩ 外形尺寸  12.7×7.6 重 量 ＜ 1.5ｇ 集成压电传感器连线电路,（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用,如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上A、B两点放两只传感器，A、B距离为L（已知或可测），从A、B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和tB（=LB/V），两者时间差为 Δt=tA- tB=（LA- LB）/V。