传感器原理及工程应用 第6章w

传感器原理及工程应用

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第6章 压电式传感器

第 6章

压电式传感器

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, 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, 是典型的有源传感器。 是典型的有源传感器。 材料受力变形时,表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小, 重量轻, 工作频带宽等特点, 因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量, 以及声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 

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第6章 压电式传感器

6.1 压电效应及压电材料 压电效应及压电材料压电效应: 压电效应: 某些电介质,当沿一定方向施力变形,内部产生极化现象, 在两个表面上产生符号相反电荷, 当外力去掉后,其又重 新恢复到不带电状态；当作用力方向改变时, 电荷的极性 也随之改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。 在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。

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第6章 压电式传感器

具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机— 电能量的相互转换, 如图所示。

压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。

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第6章 压电式传感器

压电材料的主要特性参数有: 1)压电常数：是衡量材料压电效应强弱的参数, 它直接 关系到压电输出的灵敏度。 2)弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电器 件的固有频率和动态特性。 3)介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电 容与介电常数有关; 又影响着压电传感器的频率下限。 4)机械耦合系数：在压电效应中,其值等于转换输出与输 入的能量之比的平方根;衡量机电能量转换效率重要参数 5)电阻：电阻将减少电荷泄漏,改善压电传感器低频特性 6)居里点：压电材料开始丧失压电特性温度称居里点。

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6.1.1 石英晶体石英晶体化学式为SiO2, 是单晶体结构。 图a是天然结构石英晶体外形。 石英晶体各个方向的特性是不同的。 纵向轴 z 称为光轴, 经过六面体棱线 并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x x 和z轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。 通常把沿电轴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” 沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的 压电效应称为“横向压电效应”。 沿光轴z方向受力时不产生压电效应。 (a)

y

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若沿y向切下一块如图c所示

晶片, 在电轴向施加作用力,与电轴x垂直 平面上产生电荷,其大小为qx=d11fx d11——x方向受力的压电系数; 在同一切片上,沿机械轴向施加作 用力fy 则仍在与x轴垂直的平面上 产生电荷qy,其大小为qy=d12fya/b d12——y向受力的压电系数,d12=-d11; 电荷qx和qy 的符号由所受压力或拉 力决定。 (c) (b)

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石英晶体特性与其内部分子结构有关 石英晶体未受力作用时,正、负离子正 好分 布 在正 六 边形 顶 角上, 形 成互成 120°夹角的电偶极矩P1 、P2 、P3 (图a) 因为P=qL P qL qL,此时正负电荷重心重合,电 偶极矩矢量和为零,即P1+P2+P3=0, 所 以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 石英晶体受沿x轴方向压力作用时如图 b所示。电偶极矩在x方向上的分量 (P1+P2+P3)<0 。 在 x 轴 正 向 出 现 负 电 荷,y方向上的分量为零,不出现电荷。

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当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, 晶体的变形如图c.与图b相似,在x轴 上出现电荷,它的极性为x轴正向为 正电荷。在y轴方向上不出现电荷。 当作用力 fx、fy 的方向相反时, 电 荷的极性也随之改变。  如果沿z轴方向施加作用力,因为晶 体在xy向的形变完全相同,正负电荷 重心保持重合,电偶极矩矢量和为零

沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。

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6.1.2

压电陶瓷

在无外电场作用时, 压电陶 瓷内极化强度为零 原始的压电陶瓷呈中性, 不 具有压电性质。如图a。 施加外电场时,电畴极化方向 转动趋向外电场方向的排列, 使材料得到极化。 外电场强度大到极化饱和程 度时,外电场去掉后,电畴极 化方向基本不变,即剩余极化 强度很大,材料具有压电特性

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极化处理后材料内部存在剩余极化,受力时,电畴偏转,引 起剩余极化强度变化,垂直方向平面上出现极化电荷变化 因受力产生的机械效应转变为电效应, 将机械能转变为电 能的现象, 就是压电陶瓷的正压电效应。 压电陶瓷的压电系数大, 压电陶瓷传感器的灵敏度较高。 电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33F 极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度 有关, 它的参数也随时间变化。 BaTiO3。压电系数约为石英的50倍,使用温度较低(<70℃), 温度稳定性和机械强度不如石英。 锆钛酸铅(PZT系列)有较高的压电系数和较高的工作温度 铌镁酸铅有极高的压电系数,承受较高的工作温度和压力

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6.1.3 压电式传感器压电式传感器基本原理：力作用在 压电材料上产生电荷或电压输

出。 单片压电元件的电量甚微，采用多 片同型号压电元件串接或并接

并接时，q=2q1,C=2C1, U=U1;时间常数大，用于电荷输出; 串接时，q=q1,C=C1/2, U=2U1用于电压输出 常用厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式。 压电式传感器在测低压时线性度差，损失大，常在传递系 统上加预压力(顶载)予以消除，并可提高精度且能适用 于拉力或拉压交变力及剪力与扭矩测量。

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6.2 压电式传感器测量电路6.2.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器可看作一个电荷发 生器。也是一个电容器 晶体上聚集正负电荷两表面相当于 电容的两个极板, 极板间物质等效 于介质,则其电容量为Ca=εrε0S/d 压电传感器可等效为一个与电容 相串联的电压源,如图a。 电容器上电压Ua 、电荷q和 电容量Ca三者关系为Ua=q/Ca 压电传感器也可以等效为一个电荷源。图b

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压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连 接, 因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc, 放大器的输入 电Ri, 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra, 压电传感器在测量系统中的实际等效电路,如图所示。

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6.2.2

压电式传感器的测量电路

压电传感器本身内阻抗很高,而输出能量较小, 测量电路 通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器。 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗; 二是放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器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: 电压放大器和电荷放大器。 1. 电压放大器(阻抗变换器) 图是电压放大器电路原理图及其等效电路。 

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电阻R = RaRi/(Ra+Ri), 电容C = Cc+Ci, 而ua = q/Ca, 若 压电元件受正弦力f = Fmsinωt的作用, 则其电压为 ua = d Fm sin ωt / Ca = U m sin ωt Um = d·Fm/ Ca jω R Ui = d f 放大器输入端电压Ui,复数形式为 1 + jω R(C + Ca ) d Fmω R U i 的幅值为 U im U im = 2 2 1 + ω R (Ca + Cc + Ci ) π 输入电压和作用力之间相位差为Φ = arctan[ω (Ca + Cc + Ci ) R]

d Fm 理想情况下,传感器的Ra与Ri无限大,即 U = im c a + c c + ci ω(Ca +Cc+Ci)R1>>1,输入电压幅值Uim为 ω0 测量电路时间常数倒数,即ω0=1/[R(Ca + Cc + Ci)]. 一般ω/ω0>3时, 就可以认为Uim 与ω无关 。 压电传感器有很好的高频响应,不能用于静态力测量。 传感器与放大器间连接电缆不能更换,否则引入测量误差

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2. 电荷放大器 电荷放大器常作为压 电传感器的输入电路, 由一个反馈电容Cf和 高增

益运算放大器构 成,当略去Ra和Ri并联 电 阻后, 电荷 放 大器 可用图示等效电路. 放大器输入端几乎无分流,其输出电压Uo为Uo≈-UCf =-q/Cf 电荷放大器的输出电压Aq U0 = C a + C c + C i + (1 + A ) C f

若满足(1+A)Cf <<Ca+Cc+Ci时,式可表示为Uo ≈-q/Cf 电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关,且与q成正比,

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6.36.3.1

压电式传感器的应用压电式测力传感器

左图是压电式单向 测力传感器结构图 传感器上盖为传力 元件,外力作用产 生弹性变形,将力 传到石英晶片上。 利用其纵向压电效 应,实现力—电转换 传感器的测力范围为0~50 N, 最小分辨率为0.01, 固有 频率为50~60 kHz, 整个传感器重10g。

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压电式加速度传感器 6.3.2 压电式加速度传感器左图是一种压电式加速 度传感器的结构图。 当加速度传感器受到冲 击振动时,压电元件受惯 性力的作用, F=m·a 。 F作用于压电元件上,产 生电荷q,传感器输出电 荷为q=d11F=d11ma 电荷与加速度a成正比。 因此, 测得加速度传感 器输出的电荷便可知加 速度的大小。

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