壓電式傳感器解析教學(xué)課件

壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)壓電材料受到外力作用時，其表面將產(chǎn)生電荷，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能。利用壓電材料可以制成力敏元件，用來測量力和能轉(zhuǎn)變成力的各種物理量。

由于壓電效應(yīng)是可逆的，在壓電材料的一定方向施加電場，它就會產(chǎn)生變形，因此壓電傳感器是雙向傳感器。

2020/10/161壓電式傳感器：利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量2020/10/1622020/10/162

各種小巧的壓力傳感器

壓電傳感器的外形

壓力變送器部件

壓力變送器

2020/10/1633

各種小巧的壓力傳感器

壓電傳感器的外形

5.2.1壓電式傳感器的工作原理★正壓電效應(yīng)：有些材料，當(dāng)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，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。當(dāng)作用力的方向改變時，電荷的極性隨之改變?！锬鎵弘娦?yīng)：在這些材料的極化方向施加電場，它們就會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”，或稱為“電致伸縮效應(yīng)”。壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。2020/10/1645.2.1壓電式傳感器的工作原理★正壓電效應(yīng)：有些材料，壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的幾種基本形式2020/10/165壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的幾種基本形式2020/10/165

石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系2020/10/166石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系2020/10/1662020/10/1672020/10/167壓電常數(shù)

壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來表征。

以晶體為例，設(shè)有一用晶體制成的壓電元件受到力F作用，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷Q，力F與電荷Q之間存在如下關(guān)系：d—壓電常數(shù)2020/10/168壓電常數(shù)d—壓電常數(shù)2020/10/1685.2.1壓電材料選擇壓電材料的要求：①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；②機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高，機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；④溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點，以期得到較寬的工作溫度范圍；⑤時間穩(wěn)定性:壓電特性不隨時間蛻變。壓電晶體分類：單晶體：石英晶體等多晶體：壓電陶瓷等2020/10/1695.2.1壓電材料選擇壓電材料的要求：壓電晶體分類：單石英晶體石英晶體有天然的石英和人工石英單晶體兩種。

結(jié)構(gòu)：石英晶體屬六方晶體，有右旋石英晶體和左旋石英晶體之分，其理想外形共包括三十個晶面，分成五組。以m、R、r、s和x表示。六個m面也稱柱面，六個R面也稱大棱面，六個面r也稱為小棱面，還有六個s面和六個x面。2020/10/1610石英晶體石英晶體有天然的石英和人工石英單晶體兩種。壓電晶體的三種壓電效應(yīng)a)縱向壓電效應(yīng)2020/10/1611壓電晶體的三種壓電效應(yīng)2020/10/1611壓電晶體的三種壓電效應(yīng)b)橫向壓電效應(yīng)2020/10/1612壓電晶體的三種壓電效應(yīng)b)橫向壓電效應(yīng)2020/10/1壓電晶體的三種壓電效應(yīng)c)切向壓電效應(yīng)2020/10/1613壓電晶體的三種壓電效應(yīng)c)切向壓電效應(yīng)2020/10/16

石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在20～200℃范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是-0.016%/℃，在溫度較低時，壓電常數(shù)的變化很小。居里點：573℃

石英晶體的相對介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。機(jī)械強(qiáng)度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)（由于溫度變化導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。2020/10/1614石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在20～200壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的單晶組成。1）極化前

它具有類似鐵疇材料磁疇結(jié)構(gòu)的“電疇”結(jié)構(gòu)。特點：“電疇”是分子自發(fā)的極化區(qū)域，各單晶的自發(fā)極化方向完全是任意排列的，雖然每個單晶具有強(qiáng)壓電性質(zhì)，但是組成多晶后，各單晶的壓電效應(yīng)卻互相抵消了。

原始的壓電陶瓷是一個非壓電體，它不具有壓電性質(zhì)。

2020/10/1615壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，2）極化后極化處理：在一定溫度下，對壓電陶瓷施加強(qiáng)電場，使極性轉(zhuǎn)動到接近電場的方向。壓電陶瓷2020/10/16162）極化后壓電陶瓷2020/10/1616

這個方向就是壓電陶瓷的極化方向，在極化方向下，各向同性受到破壞，但在垂直的平面上，仍保持各向同性。當(dāng)電場丟掉后，壓電陶瓷仍存在著很強(qiáng)的剩余極化，類似于鐵磁物質(zhì)在磁場中被磁化的現(xiàn)象，它們被極化的過程和鐵磁材料被磁化的過程極其相似。當(dāng)這種經(jīng)極化后的鐵電體在受到外力作用時，其剩余極化強(qiáng)度將隨之變化，所以也表現(xiàn)出壓電特性。顯然這種材料的壓電特性在極化方向上是最顯著的。極化方向定義為z軸。

壓電陶瓷穩(wěn)定性較石英晶體差。2020/10/1617這個方向就是壓電陶瓷的極化方向，在極化方向下2020/10/16182020/10/1618壓電陶瓷的種類

:①

鈦酸鋇壓電陶瓷②

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷，即PZT系壓電陶瓷③鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN)④鈮酸鹽系壓電陶瓷需要指出:通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛都有明顯的熱釋電效應(yīng)。2020/10/1619壓電陶瓷的種類:需要指出:通常壓電陶瓷如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛（3）厚度剪切變形

利用剪切壓電效應(yīng)的壓電元件除采用片狀結(jié)構(gòu)形式外，還可采用管狀壓電陶瓷，這種結(jié)構(gòu)的極化方向有平行于軸線的和徑向的兩種。2020/10/1620（3）厚度剪切變形2020/10/1620§5.2.2壓電傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時,它也是一個電容器,晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),則其電容量為

式中:A——壓電片的面積;d——壓電片的厚度;εr——壓電材料的相對介電常數(shù)。2020/10/162121§5.2.2壓電傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可電荷等效電路電壓等效電路2020/10/162222電荷等效電路電壓等效電路2020/10/16225.2.2測量電路

1.引言

壓電傳感器的輸出信號非常微弱，要將其進(jìn)行放大才能測量出來。壓電傳感器的內(nèi)阻抗相當(dāng)高，不是普通放大器能放大的。而且，除阻抗匹配的問題外，連接電纜的長度、噪聲都是突出的問題。

2020/10/16235.2.2測量電路1.引言壓電傳感器的輸出信號前置放大器作用⑴將傳感器的輸出高阻抗變換成低阻抗輸出;⑵起放大傳感器微弱信號的作用。

傳感器的輸出可以是電壓信號(把傳感器看作電壓發(fā)生器)；也可以是電荷信號(把傳感器看作電荷發(fā)生器)

傳感器的輸出信號應(yīng)先由低噪聲電纜輸入高輸入阻抗的前置放大器。2020/10/1624前置放大器作用傳感器的輸出可以是電壓信號(把傳前置放大器有兩種：電壓放大器:

輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成比例，這種電壓前置放大器一般稱為阻抗變換器；電荷放大器:輸出電壓與輸入電荷成比例。主要區(qū)別：使用電壓放大器時，整個測量系統(tǒng)對電纜電容的變化非常敏感，尤其電纜長度變化更為明顯;使用電荷放大器時，電纜長度變化的影響可忽略不計。2020/10/1625前置放大器有兩種：主要區(qū)別：2020/10/1625壓電傳感器的實際等效電路－壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接,因此還須考慮連接電纜的等效電容CC,放大器的輸入電RI,輸入電容CI以及壓電傳感器的泄漏電阻RA,

2020/10/162626壓電傳感器的實際等效電路－壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀一、電壓放大器Ra:壓電元件漏電阻Ce連接電纜電容Ri、Ci放大器輸入阻抗、電容KUaCaRaCeCiRi2020/10/162727一、電壓放大器Ra:壓電元件漏電阻CeKUaCaRC2020/10/162828KUaCaRC2020/10/16282020/10/1629292020/10/16292020/10/1630302020/10/16302020/10/1631312020/10/1631理想情況下（輸入電阻無窮大）放大器輸入電壓幅值為：2020/10/163232理想情況下（輸入電阻無窮大）放大器輸入電壓幅值為：2020/2020/10/1633332020/10/1633φωτ00901.0UsrmUam0.512342020/10/163434φωτ001.0Usrm0.512342020/10/163討論：ω=0（靜態(tài)量）時，Usrm/Uam=0（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無窮大，存在電荷泄漏，所以不能測量靜態(tài)量ωτ>>3（高頻情況），Usrm/Uam≈1，實際接近理想輸入電壓與作用力頻率無關(guān)τ一定，ω越高，高頻響應(yīng)越好對低頻測量情況：τ一定，ω↓偏差越大所以要求τ要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍輸出電壓靈敏度受電纜分布電容影響2020/10/163535討論：ω=0（靜態(tài)量）時，Usrm/Uam=0（輸入電壓為零改善低頻特性的措施：2020/10/163636改善低頻特性的措施：2020/10/1636∴可根據(jù)給定精度合理選擇電壓放大器Ri2020/10/163737∴可根據(jù)給定精度合理選擇電壓放大器Ri2020/10/163

可行的辦法:提高測量回路的電阻。傳感器本身的絕緣電阻一般很大，測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。

放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。提高前置放大器輸入電阻采取的方法：采用場效應(yīng)管。

壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。

解決電纜問題的方法:將超小型放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器。2020/10/1638可行的辦法:提高測量回路的電阻。提高前置二、電荷放大器具有深度電容負(fù)反饋的高增益運算放大器KUscCfqa2020/10/163939二、電荷放大器具有深度電容負(fù)反饋的高增益運算放大器KUscCRfkUscCfCiCcCaq2020/10/164040RfkUscCfCiCcCaq2020/10/16402020/10/1641412020/10/1641所以：輸出與電纜電容無關(guān)電纜可長達(dá)1km電纜可更換Rf提供直流負(fù)反饋減小零漂、提高穩(wěn)定度可測準(zhǔn)靜態(tài)量：τ=RfCf相當(dāng)大，可測低頻f=0.5Hz2020/10/164242所以：輸出與電纜電容無關(guān)2020/10/1642使用電荷放大器的幾點說明1）傳感器的輸出電纜的接線注意事項； 切記不要將前置放大器的場效應(yīng)管燒壞。2）環(huán)境因素的影響 溫度、濕度都會影響傳感器的輸出阻抗及放大器的輸入阻抗。2020/10/1643使用電荷放大器的幾點說明2020/10/1643：5.2.3引起壓電式傳感器測量誤差的因素

1環(huán)境溫度的影響

周圍環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響最大，它將造成傳感器靈敏度發(fā)生變化。

1）石英晶體

石英晶體對溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至200℃，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在200℃～400℃范圍內(nèi)變化也不大。

2）壓電陶瓷

人工極化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多，壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢大體上如圖所示。2020/10/1644：5.2.3引起壓電式傳感器測量誤差的因素1環(huán)境溫度

為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長時間溫度穩(wěn)定性，一般應(yīng)進(jìn)行人工老化處理。

人工老化處理:

將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復(fù)加溫和降溫，連續(xù)做一個星期，加溫和降溫的周期為二小時。

2020/10/1645為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長時間溫度穩(wěn)定

壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時，壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會發(fā)生變化。

普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。

壓電材料的體電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律減小的。

傳感器的連接電纜也是一個至關(guān)重要的部件。普通電纜是不能耐700℃以上高溫的。

電纜兩端必須氣密焊封，以防止潮氣侵入到無機(jī)絕緣材料中使絕緣電阻減低。2020/10/1646壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用2環(huán)境濕度的影響

環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能影響很大。如傳感器長期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄漏電阻）將會減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。

要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等。

零件表面的光潔度要高。

對一些長期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應(yīng)采取防潮密封措施，在容易漏氣或進(jìn)水的輸出引線接頭處用特殊材料加以密封。

2020/10/16472環(huán)境濕度的影響環(huán)境濕度對壓電式傳感器3電纜噪聲

壓電式傳感器的信號電纜一般采用小型同軸導(dǎo)線，這種電纜很柔軟，具有良好的撓性。

◆電纜噪聲完全是由電纜自身產(chǎn)生的。普通的同軸電纜是由聚乙烯或聚四氟乙烯作絕緣保護(hù)層的多股絞線組成。

◆為了減少這種噪聲，除選用特制的低噪聲電纜。

◆在測量過程中應(yīng)將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對運動。2020/10/16483電纜噪聲◆電纜噪聲完全是由電纜自身產(chǎn)生的。普通的同5.2.4壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式測力傳感器2020/10/16495.2.4壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式測力傳感器2020/1壓電式加速度傳感器一、工作原理－結(jié)構(gòu)組成基座殼體彈簧質(zhì)量塊壓電片2020/10/165050壓電式加速度傳感器一、工作原理－結(jié)構(gòu)組成基座殼體彈簧質(zhì)量塊壓工作原理壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。測量時傳感器基座與試件剛性連接在一起。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，當(dāng)傳感器受振時，質(zhì)量塊受到與加速度方向相反的力的作用，并作用在壓電元件上。當(dāng)被測振動頻率遠(yuǎn)低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。傳感器輸出電荷也與加速度成正比。2020/10/165151工作原理壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。2020/10/二、頻響特性－受力分析[質(zhì)量塊的絕對位移x2，激勵為x1，質(zhì)量塊相對位移xt]2020/10/165252二、頻響特性－受力分析[質(zhì)量塊的絕對位移x2，激勵為x1頻響特性2020/10/165353頻響特性2020/10/16532020/10/1654542020/10/1654幅頻響應(yīng)曲線頻率比ω/ω0相對靈敏度00.11.04.01.00.12.02020/10/165555幅頻響應(yīng)曲線頻率比ω/ω0相對靈敏度00.11.04.01討論：當(dāng)ω<<ω0時，傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)由于壓電式傳感器的x(t)很小，m也很小，而k很大，所以壓電式加速度傳感器的ω0很大（頻帶較寬）（一般可達(dá)幾十千赫），所以頻響范圍寬、高頻響應(yīng)好。測量上限不能取固有頻率，實際工作頻段取為（1/5）ω0左右低頻響應(yīng)取決于測量回路，測量回路的時間常數(shù)越大，低頻響應(yīng)越好2020/10/165656討論：當(dāng)ω<<ω0時，傳感器的靈敏度近似為一常數(shù)2020/12020/10/16572020/10/1657由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃鳌＝?jīng)過阻抗變換以后，方可用于一般的放大、檢測電路將信號輸給指示儀表或記錄器。目前，制造廠家已有把壓電式加速度傳感器與前置放大器集成在一起的產(chǎn)品，不僅方便了使用，而且也大大降低了成本。2020/10/165858由于壓電式傳感器的輸出電信號是微弱的電荷，而且傳感器本身有很2020/10/16592020/10/1659振動分析2020/10/166060振動分析2020/10/1660

加速度計，力傳感器

2020/10/166161加速度計，力傳感器2020/10/1661飛機(jī)輪子振動分析2020/10/166262飛機(jī)輪子振動分析2020/10/1662力傳感器1、單向力傳感器2020/10/166363力傳感器2020/10/16632、雙向力傳感器zyxT6T62020/10/1664642、雙向力傳感器zyxT6T62020/10/16643、三向力傳感器FXFZFY2020/10/1665653、三向力傳感器FXFZFY2020/10/16652020/10/16662020/10/16662020/10/16672020/10/1667受力分析2020/10/166868受力分析2020/10/16682020/10/1669692020/10/16692020/10/16702020/10/16702020/10/16712020/10/16712020/10/16722020/10/16722020/10/16732020/10/16732020/10/16742020/10/1674壓電式加速度傳感器2020/10/1675壓電式加速度傳感器2020/10/1675壓電式金屬加工切削力測量2020/10/1676