傳感器第六章壓電式壓磁式

1、（優(yōu)選）傳感器第六章壓電式壓磁式第一頁，共七十九頁。 壓電式傳感器的原理： 是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。 特點：壓電式傳感器具有響應頻帶寬，靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。 應用領(lǐng)域：壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度，在工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學等領(lǐng)域得到了廣泛的應用。 第二頁，共七十九頁。第一節(jié) 壓電效應及壓電材料 一、壓電效應二、石英晶體（SiO2）的壓電效應三、陶瓷的壓電效應四、壓電材料第三頁，共七十九頁。第四頁，共七十

2、九頁。一、壓電效應 順（正）壓電效應： 某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應或順壓電效應。返回第五頁，共七十九頁。F FFF 第六頁，共七十九頁。逆壓電效應（電致伸縮效應） 當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象。正壓電效應電能機械能逆壓電效應 壓電元件返回第七頁，共七十九頁。二、石英晶體（Si

3、O2）的壓電效應ZXY縱向軸ZZ稱為光軸經(jīng)過正六面體棱線，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）稱為機械軸第八頁，共七十九頁。(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 石英坐標第九頁，共七十九頁。1、石英晶體產(chǎn)生壓電效應原理“”代表Si4+，“”代表2O2-。 第十頁，共七十九頁。F =0時正、負離子在正六邊形頂角P1、P2、P3互成120夾角正負電荷中心重合電偶極矩的矢量和等于零 P1P2P30 此時晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。第十一頁，共七十九頁。受X方向壓力時正、負電荷重心不再重合P1減小，P2、P3增大(P1+P2+P3)X0

4、X軸的正向: 負電荷Y、Z軸方向無電荷 這種沿Y軸施加力，而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象即為橫向壓電效應。第十三頁，共七十九頁。受Z軸力:無論是壓力還是拉力作用都會使晶體在x方向和y方向產(chǎn)生完全相同的形變，所以，正、負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，在沿z(即光軸)方向的力Fz 作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應。（切向壓電效應）石英壓電效應返回第十四頁，共七十九頁。2、縱向壓電效應d11為x方向受力的壓電系數(shù) d11=2.3110-12C/NFX為作用力xbzyac返回第十五頁，共七十九頁。3、橫向壓電效應d12y軸方向受力的壓電系數(shù)；石英晶體對稱性， 有d12= -d11；

5、a-長度；b-厚度。 返回第十六頁，共七十九頁。 當晶片受到x方向的壓力作用時，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)； 沿機械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應； 無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度）之間皆呈線性關(guān)系。結(jié)論：返回第十七頁，共七十九頁。三、陶瓷的壓電效應無外電場作用時總極化強度為零施加外電場時電疇自發(fā)極化方向與外電場一致外電場去掉后具剩余極化強度人造多晶體：經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體電疇剩余極化強度第十八頁，共七十九頁。

6、 自由電荷束縛電荷電極電極 極化方向無外力作用時電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度束縛電荷會吸附自由電荷陶瓷片對外不表現(xiàn)極性第十九頁，共七十九頁。這種由機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應。 d33 :壓電陶瓷壓電系數(shù)F：作用力 加外力 極化方向F電疇偏轉(zhuǎn)，極化強度變小，自由電荷釋放 返回第二十頁，共七十九頁。第二十一頁，共七十九頁。逆壓電效應：由于電效應而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象。 極化方向電場方向返回第二十二頁，共七十九頁。第二十三頁，共七十九頁。（a）縱向變形y+ + + +FzFzxz- - - - d33:壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F z :

7、作用力。 第二十四頁，共七十九頁。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。機械性能。機械強度高、剛度大。具有較高的固 有振動頻率。電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。 為了減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響。環(huán)境適應性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有 較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間褪化。 壓電材料具備主要特性：四、壓電材料指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。返回第二十五頁，共七十九頁。 1、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)定性相當好。 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?shù)?73時

8、，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。 斜率：0.016/1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20t石英的d11系數(shù)相對于20的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/相對介電常數(shù)居里點石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性第二十六頁，共七十九頁。 優(yōu)點： 性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當好。 缺點： 價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。用于標準儀器或要求較高的傳感器中。 切割： 各向異性晶體，按不同方向切割，物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。根據(jù)不同使用要求正確地

9、選擇石英片的切型。 組成： 天然和人工培養(yǎng)兩種類型。因其物理和化學性質(zhì)幾乎沒有區(qū)別，廣泛應用成本較低的人造石英晶體。第二十七頁，共七十九頁。天然形成的石英晶體外形第二十八頁，共七十九頁。人工合成水晶雙面鍍銀并封裝壓電晶片石英晶體薄片石英晶體切片及封裝第二十九頁，共七十九頁。（2）水溶性壓電晶體 屬于單斜晶系的有酒石酸鉀鈉(NaKC4H4O64H2O)，硫酸鋰(Li2SO4H2O)；屬于正方晶系的有磷酸二氫鉀(KH2PO4，簡稱KDP)等。壓電靈敏度和介電常數(shù)較高但易受潮，機械強度較低，電阻率低。只限于在室溫和濕度低的環(huán)境下使用。第三十頁，共七十九頁。（3）鈮酸鋰晶體（LiNbO2）通過人工提拉

10、法制成。與石英晶體相似，也是一種單晶體，無色或淺黃色，透明。因為是單晶體，所以時間穩(wěn)定性比多晶體的壓電陶瓷好得多。是一種壓電性能良好的電-聲換能材料。熔點1250，居里點1210 。在耐高溫的傳感器上應用廣泛。比石英晶體脆弱，而且熱沖擊性很差，所以在加工裝配和使用中必須小心謹慎，避免用力過猛和急冷急熱。第三十一頁，共七十九頁。 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)定性和機械強度不如石英晶體。2、壓電陶瓷第三十二

11、頁，共七十九頁。 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Nb、銻Sb、錫Sn、錳Mn、鎢W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用最廣泛的壓電材料。 第三十三頁，共七十九頁。 (3)鈮酸鹽系壓電陶瓷 這一系中是以鐵電體鈮酸鉀(KNbO3)和鈮酸鉛 (PbNb2O6)為基礎(chǔ)的。鈮酸鉀和鈦酸鋇十分相似，但所有的轉(zhuǎn)變都在較高溫度下發(fā)生，在冷卻時又發(fā)生同樣的

12、對稱程序：立方、四方、斜方和菱形。居里點為 435。鈮酸鉛的特點是能經(jīng)受接近居里點(570)的高溫而不會去極化，有大的 d33d31比值和非常低的機械品質(zhì)因數(shù)QM。鈮酸鉀特別適用于作1040MHz的高頻換能器。近年來鈮酸鹽系壓電陶瓷在水聲傳感器方面受到重視。由于它的性能比穩(wěn)定，適用于深海水聽器。第三十四頁，共七十九頁。(4)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN） 它由鈮鎂酸鉛 、鋯酸鉛（PbZrO3）和鈦酸鉛（PbTiO3）三種化合物按不同比例配出不同性能的壓電陶瓷。具有極高的壓電系數(shù)（d33=80010-1290010-12C/N）和較高的居里點（260）， 而且能承受較高的壓力（7107Pa）。 因此

13、可作為工作在高溫下的測力傳感器的壓電元件。第三十五頁，共七十九頁。打火用壓電陶瓷壓電陶瓷蜂鳴器 壓電陶瓷外形超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用B超換能器用晶片第三十六頁，共七十九頁。第三十七頁，共七十九頁。3.壓電半導體材料如硫化鋅ZnS、硫化鎘CdS 、氧化鋅ZnO 、碲化鎘CdTe、碲化鋅ZnTe、砷化鎵CaAs，既具有壓電特性，又具有半導體特性，有利于將元件和線路集成于一體，研制新型集成壓電傳感器測試系統(tǒng)。這種力敏器件具有靈敏度高，響應時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數(shù)。第三十八頁，共七十九頁。3、高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和

14、電場極化后，具有一定的壓電性能，壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。第三十九頁，共七十九頁。第二節(jié) 壓電傳感器的等效電路及測量電路一、壓電晶片的連接方式二、壓電傳感器的等效電路三、壓電傳感器的測量電路第四十頁，共七十九頁。一、壓電晶片的連接方式1、并聯(lián)連接+ + + -+ + + + -并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大， 時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。第四十一頁，共七十九頁。2、串聯(lián)連接+ + + -+ + + -+ 串聯(lián)接法輸出電壓大，

15、本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高、頻率較高的場合。返回第四十二頁，共七十九頁。受力和變形(a) 厚度變形(b) 長度變形(c) 體積變形(d)面切變形(e) 剪切變形效應類型第四十三頁，共七十九頁。二、壓電傳感器的等效電路 q電極壓電晶體qCe靜電發(fā)生器電容器第四十四頁，共七十九頁。 壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ce的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ce的并聯(lián)電路，如圖(b)。 （a）電壓等效電路CeUq/ Ceq UCeCe（b）電荷等效電路第四十五頁，共七十九頁。Cc ：連接電纜等效電容 Ri ：放大器輸入電阻Ci ：放大器

16、輸入電容 Rd ：傳感器泄漏電阻實際等效電路第四十六頁，共七十九頁。三、壓電傳感器的測量電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻 抗輸出；放大壓電式傳感器輸出的微弱信號。 前置放大器形式：電壓放大器，用電阻反饋，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器 的輸出電壓）成正比；電荷放大器，用電容板反饋，其輸出電壓與輸入電荷成正比。第四十七頁，共七十九頁。1、電壓放大器若壓電元件材料受正弦力作用，則產(chǎn)生的電壓值為 Fm作用力的幅值電壓幅值 第四十八頁，共七十九頁。可得放大器輸入端的電壓Ui，其復數(shù)形式為ui的幅值Uim為輸入電壓與作用力之間的相位差為其中 第四十九頁，共七十

17、九頁。 在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么由式（6-8）可知，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在/03時，就可以認為Uim與無關(guān)，0表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 第五十頁，共七十九頁。電壓靈敏度 討論：靈敏度與被測信號頻率無關(guān),即輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)，這說明壓電式傳感器的高頻響應相當好，所以用于高頻較便利的測量。壓電傳感器不能測靜態(tài)量。 為了得到好的低頻響應特性，靈敏度與連接電纜有關(guān)，更換電纜需要重新標定其中 返回（2）/03第五十一頁，共七十九頁。(1+A)CfCe+Cc

18、+Ci時2、電荷放大器返回第五十二頁，共七十九頁。第三節(jié) 壓電傳感器的應用一、壓電式壓力傳感器二、壓電式力傳感器三、壓電加速度傳感器四、交通監(jiān)測 五、壓電式玻璃破碎報警器六、壓電式聲傳感器七、壓電式流量計八、壓電式傳感器在測漏中的應用第五十三頁，共七十九頁。1 壓電式壓力傳感器第五十四頁，共七十九頁。1、壓電式壓力傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導電片p第五十五頁，共七十九頁。2、單向測力傳感器 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.5mm，外力作用使它產(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， 通過d11實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。該傳感器的測力范圍為050

19、N，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。 第五十六頁，共七十九頁。3、動態(tài)切削力的測量 第五十七頁，共七十九頁。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。壓電式刀具切削力測量示意圖 第五十八頁，共七十九頁。4、體育動態(tài)測量中應用壓電式縱跳訓練分析裝置測量雙腿跳的動態(tài)力壓電式步態(tài)分析跑臺第五十九頁，共七十九頁。5、壓電加速度傳感器加速度計第六十頁，共七十九頁。5、壓電加速度傳感器第六

20、十一頁，共七十九頁。汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體第六十二頁，共七十九頁。6、交通監(jiān)測 將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。 可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機場滑行道等。第六十三頁，共七十九頁。7、壓電式玻璃破碎報警器 將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。 粘貼位置使用

21、時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q ，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。第六十四頁，共七十九頁。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。 第六十五頁，共七十九頁。 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。只有當傳感器輸出信號高于設定的閾值時，才會輸出報警信號，驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。第六十六頁，共七十九頁。8、壓

22、電式聲傳感器壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖 當交變信號加在壓電陶瓷片兩端面時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，陶瓷片會在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長和縮短 。鋁頭螺釘黃銅尾部壓電陶瓷圓環(huán)第六十七頁，共七十九頁。 根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況9、 壓電式流量計流量顯示輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射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。

23、此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。第六十八頁，共七十九頁。ABO點LALB地 面L 如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間差可計算出LA或LB。10、 壓電式傳感器在測漏中的應用第六十九頁，共七十九頁。兩者時間差為t= tA-tB=（LA - LB ）/v又L=LA +LB ，所以 第七十頁，共七十九頁。水漏探測儀設計 前 放帶通濾波放

24、大低通濾波傳感器B發(fā) 送前 放帶通濾波放 大低通濾波傳感器A主 機接 收管 道第七十一頁，共七十九頁。產(chǎn)品壓力變送器加速度計力傳感器 脈搏計第七十二頁，共七十九頁。第二部分 壓磁式傳感器壓磁式測力稱重傳感器車輪傳感器第七十三頁，共七十九頁。2.1 基本原理1.壓磁效應: 鐵磁材料在外力作用下，內(nèi)部發(fā)生變形，使各磁疇之間的界限發(fā)生移動，使磁疇磁化強度矢量轉(zhuǎn)動，從而也使磁疇磁化強度發(fā)生相應的變化。這種由于應力使鐵磁材料的磁化強度發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓磁效應。變換鏈 第七十四頁，共七十九頁。2.鐵磁材料的相對導磁率變化與應力之間的關(guān)系壓磁傳感器: 用來測量壓力、拉力、彎矩、扭轉(zhuǎn)力(或力矩) 導磁率大小的變化與受力方向有關(guān)：如果產(chǎn)生壓磁效應的作用力是拉力，那么沿作用力方向的導磁率就提高，而在其垂直方向上，導磁率略有降低。反之，該作用力為壓力時，其效果相反。作用力取消后，導磁率復原。鐵磁材料的壓磁效應還與外磁場有關(guān)。為了使磁感應強度與應力間有單