第六章壓電式傳感器PPT課件

1、壓電元件機械量電量電能機械能順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)第1頁/共47頁 在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。 壓電材料的主要特性參數(shù)有： 壓電常數(shù): 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。 彈性常數(shù): 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。 二、壓電材料第2頁/共47頁 介電常數(shù): 對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 機械耦合

2、系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。 電阻: 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 居里點溫度: 它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。 第3頁/共47頁第4頁/共47頁（一）（一） 石英晶體石英晶體 石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。 由圖可見，在20200范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當(dāng)?shù)?73時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里

3、點。 1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系數(shù)相對于20的d11溫度變化特性6543210100 200 300400 500 600t/相對介電常數(shù)居里點石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性第5頁/共47頁（二）（二） 壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和

4、機械強度不如石英晶體。2 2、 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 第6頁/共47頁三、石英晶體（三、石英晶體（SiOSiO2）的壓電效應(yīng)的壓電效應(yīng) 天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，

5、并垂直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ軸同時垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。ZXY(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系ZYX通常把沿電軸X XX X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸Y YY Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z ZZ Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第7頁/共47頁1 1、石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)原因 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在XOY平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“”代表Si4+，“”代

6、表2O2-。 (b)(a)+-YXXY+第8頁/共47頁 當(dāng)作用力F FX X=0=0時，正、負(fù)離子（即SiSi4+4+和2O2O2-2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120120夾角的電偶極矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，此時正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 當(dāng)晶體受到沿X X方向的壓力（F FX X000在Y Y、Z Z方向上的分量為（P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Y Y=0 =0 （P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Z Z=0=0由上式看出，在X X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y

7、Y、Z Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+-XP1P2P3FXXY+FX+-P1P2P3第9頁/共47頁（P1+P2+P3）X00在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿Y Y ( (機械軸) )方向施壓力F FY Y 0 0 時， ( (P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3) )X X 0 0在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。FYXY+-P1P2P3Y+-X-+P2P3P1+FYFYFY與沿X X方向施壓力（F FX X01，那么由Uim式可知，理想情況下輸入電壓幅值Uam為 icemamCCCdFU第29頁/共47頁2112222221)(1)

8、()(1iceiceicemicemamimCCCRCCCRCCCdFCCCRRdFUU1)(11iceCCCR112tg第30頁/共47頁 p117頁圖6-10所示，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（=0）時， 前置放大器的輸出電壓等于零， 因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。131時，前置放大器的輸出電壓隨頻率變化不大。壓與作用力的頻率有關(guān)時，可近似認(rèn)為輸入電31即說明壓電傳感器的高頻響應(yīng)比較好，所以用于高頻交變力的測量。第31頁/共47頁2 2、電荷放大器 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構(gòu)成。由

9、于運算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Rd和Ri并聯(lián)電阻。 第32頁/共47頁fcfoCquu由運算放大器基本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓 ficeoCACCCAqu)1 ( 通常A=104108，因此,當(dāng)滿足(1+A)CfCa+Cc+Ci時，上式可表示為 foCqu第33頁/共47頁 由上式可見，電荷放大器的輸出電壓uo只取決于輸入電荷與反饋電容Cf，與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比，這是電荷放大器的最大特點。 為了得到必要的測量精度，要求反饋電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性都很好，在實際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇的，范圍一般為100104p

10、F。 第34頁/共47頁第三節(jié) 壓電傳感器的應(yīng)用一、一、壓電力學(xué)傳感器壓電力學(xué)傳感器+ + + + + + +- - - - - - - 力Fx第35頁/共47頁 壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.5mm，當(dāng)外力作用時，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其縱向壓電效應(yīng)， 通過d11實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為81mm。該傳感器的測力范圍為050N，最小分辨率為0.01 N，固有頻率為5060 kHz，整個傳感器重為10 g。 第36頁/共47頁壓電式金屬加工切削力測

11、量 圖是利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力的示意圖。 由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進行切削加工時， 切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化。 壓 電 傳 感 器輸 出 信 號第37頁/共47頁二、二、壓電加速度傳感器壓電加速度傳感器 主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。 第38頁/共47頁三、壓電式玻璃破碎報警器三、壓電式玻璃破碎報警器BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器， 它利用壓電元件對振

12、動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。 BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路如圖所示。傳感器的最小輸出電壓為100 mV，最大輸出電壓為100V， 內(nèi)阻抗為1520 k。 第39頁/共47頁 使用時傳感器用膠粘貼在玻璃上，然后通過電纜和報警電路相連。為了提高報警器的靈敏度，信號經(jīng)放大后，需經(jīng)帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。由于玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內(nèi)， 這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號高于設(shè)定的閾值時，才會輸出報警信號，

13、驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。玻璃破碎報警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其它商品柜臺保管等場合。 執(zhí)行機構(gòu)比較帶通濾波放大傳感器玻璃第40頁/共47頁利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間( (如1/ /100s) )，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。 流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響

14、。其準(zhǔn)確度可達(dá)0.5%，有的可達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況四、四、 壓電式流量計壓電式流量計第41頁/共47頁 是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。 脈搏計照片 典型應(yīng)用： 脈搏計數(shù)探測 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤 振動、沖擊、碰撞報警 振動加速度測量 管道壓力波動 其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等 五、集成壓電式傳感

15、器五、集成壓電式傳感器第42頁/共47頁 力敏元件主要性能指標(biāo)：力敏元件主要性能指標(biāo)：壓力范圍 1kPa靈敏度 0.2V/P非線性度 1 F.S頻率響應(yīng) 11000Hz標(biāo)準(zhǔn)工作電壓 4.5V（DC）擴充工作電壓 315V(DC)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載電阻 2.2k擴充電阻 1k12k外形尺寸 12.77.6重 量 1.5集成壓電傳感器連線電路集成壓電傳感器連線電路輸出力敏元件地線R=2.2k 電源集成壓電傳感器連線電路OO第43頁/共47頁六、壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用六、壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用如果地面下有一條均勻的直管道某處O點為漏點，振動聲音從O點向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點放兩只傳感器，A、B距離為L（已知或可測），從A、B兩個傳感器接收的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時間差為 t=tA- tB=（LA- LB）/V （1）又 L =LA+LB （2）LABO點LALB地 面 1、檢測原理、檢測原理第44頁/共47頁因為管道埋設(shè)在地下，看不到O點，也不知道LA和LB的長度，已知的是L和V，如果能設(shè)法求出t，則聯(lián)立（1）+（2）得： LA =(L+tV)/2 （3）或者將（1）-（2）得： LB=（L-tV）/2 （4） 關(guān)鍵是確定t，就可準(zhǔn)確確定