6压电式传感器

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压电式动态力传感器以及在车床中用于 动态切削力的测量
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压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量 双腿跳的动态力
压电式步态 分析跑台
压电式纵跳 训练分析装置
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高分子压电薄膜制作的压电喇叭
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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玻璃打碎报警装置
将高分子压电测振 薄膜粘贴在玻璃上， 可以感受到玻璃破 碎时会发出的振动， 并将电压信号传送 给集中报警系统。
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粘贴 位置
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高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器
将厚约0.2mm左右的PVDF
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四、测量电路
压电传感器自身内阻抗很高，且输出能量较 小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的 前置放大器。
其作用为： ①将传感器高输出阻抗转换为低输出阻抗； ②放大传感器输出的微弱信号。
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1、电压放大器——阻抗变换器
图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ce+Ci，Ua=q/Ca
q = d33 F 式中: d33—— 压电陶瓷的压电系数;
F——作用力。
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压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电 陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。
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, 从而使其压电特性减弱。
Fz
电荷Qx和Qy的符 号由受拉力还是
受压力决定
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石英晶体压电模型
不受力
晶体在x方向受力
Fx
x
晶体在y方向受力
x
Fy
Fy
正常情况下石 英体中正负电 荷处于平衡， 外部呈中性。
y
y
Fx
正负电荷产生移动，出现带电现象。
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石英晶体压电模型
x y
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※ 但不适用于静态参数的测量 ※
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一、压电效应
正压电效应： ★ 利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷 ★ 去掉外力后，电荷消失，状态复原 ★ 作用力相反，电荷极性也发生变化
机械量
压电元件
电量
逆压电效应（电致伸缩效应）：
当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发 生形变。
优点：高灵敏度；韧性及加工性能好；声阻抗与人体肌肉 接近；频带宽；机械强度高；化学特性稳定。
应用：电声器件，可进行压力、加速度、温度、水声探测 等应用，在生物医学领域广泛应用。
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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三、压电式传感器
1、概述 压电式传感器的基本原理是利用压电材料
2）并联
＋＋＋＋
－－－－
C e nC U e UQ e nQ
－－－－ ＋＋＋＋
并联使压电传感器时间常数增大， 电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低
＋＋＋＋ －－－－
频信号测量场合。
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4、压电元件的分类
按受力和形变方式
厚度变形 长度变形 体积变形
厚度剪切变形
5、预载
在测量低压力时，由于力传递系数非线性（低压力下力 的损失较大）存在，导致压电式传感器线性度不好。为此， 在测量时需要加入预加力——预载。这样，不仅消除压力使 用中的非线性外，还可消除传感器内外接触表面的间隙，提 高刚度。在测量拉力、拉－压交变力及剪力和扭矩时必须给 压电传感器施加预载。
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当受正弦力f＝Fmsinωt 作用时：
压电元件输出电压：
U adCam Fsi ntUmsi nt
放大器输入端电压为：
U i dm F1jR j C RaCsi nt
放大器输入端电压幅值为：
Uim
dm F R
12R2CaCeCi
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理想情况下，传感器电阻Ra和放大器输入电阻Ri都
的压电效应，即当施加力作用在压电材料上，传 感器就有电荷（或电压）输出。
电荷在无泄漏条件下才能保持，即需要测量
回路需要无限大的输入阻抗，但无法实现，所以 压电式传感器不能用于静态测量。只有在交变力 的作用下，电荷才可以得到不断补充，供给测量 回路能量，故适于动态测量（一般必须高于100Hz，但在 。 50kHz以上时，灵敏度下降）
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二、压电材料
压电晶体
石英晶体（SiO2）
压电陶瓷
钛酸钡（BaTiO3） 锆钛酸铅（PZT）
高分子材料
聚偏二氟乙烯（PVDF）
复合压电材料
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压电材料主要特性参数 压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出的灵敏度 弹性系数：材料弹性常数，决定器件的固有频率的动态特性 介电常数：固有电容与介电常数有关，影响传感器下限频率 机械耦合系数：衡量压电材料机－电能量转换效率的重要参 数，等于转换输出能量与输入能量之比的平方根。 电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性 居里点：材料开始丧失压电特性的温度, 如石英573°
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2、电荷放大器
图中R=RaRi/(Ra+Ri)，C=Ca+Ce+Ci，Ua=q/Ca
由于运算放大器输入阻抗高，输入端几乎没有分 流，故可略去R。
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根据运算放大器的基本特性，可求出电荷放大器 得输出电压：
UoCaCeC Ai q1ACf
通常A=104~108，当有（1＋A）Cf>>Ca+Ce+Ci时，
为无限大，即ω(Ca+Ce+Ci)R>>1，此时输入电压
幅值Uim为：
Uim
Ca
dFm Ce Ci
放大器输入电压Uim与频率无关。实际应用中，当 ω/ω0>3时，就可认为以上式成立。
0 1Ca C1e CiR
注意：压电传感器不能用于静态力测量；压电传感 器与前置放大器间连接电缆不能随意更换。
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上式变为：
Uo
q Cf
电荷放大器的输出电压Uo只与输入电荷q（成正比） 和反馈电容Cf（100～104pF）有关，而与电缆电容 Ce无关
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五、应用
石英晶体振荡器、压力传感器、超声换能器 广泛用于通讯（卫星接收、对讲机、电话机
等）、家电（TV/VCD/DVD等）、电脑、汽车电 子、电子游戏机等领域
在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极 化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始 的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
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压电陶瓷及其换能器外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
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压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体
极化前
极化时
极化后
电畴无序排列
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电畴有序排列 电畴基本有序
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压电陶瓷
•在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于 按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。
•外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电 畴极化方向都整齐地与外电场方向一致。
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石英晶体压电模型
来自百度文库++++++++
P1
x y
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P2
P3
---------
P1增大, P2、 P3 减小。 在 x轴上出现电 荷, 它的极性 为x轴正向为 负电荷。 在y 轴方向上不 出现电荷。
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石英晶体压电模型
当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性 也随之改变，输出电压的频率与动态力的频 率相同。
+ + + +++
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石英晶体压电模型
------------
P1
P2
P3
x y
++++++++++++
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石英晶体压电模型
x y
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P1
P2
P3
当晶体受到 沿y轴方向的 压力作用时, 晶体的变形 如图所示
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石英晶体压电模型
+ + +++
P1
P2
P3
x
y
-----
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅, 它是钛酸钡 （BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系 数和较高的工作温度。
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3、新型压电材料——压电聚合物PVDF
PVDF是一种有机高分子物性型敏感材料，其名称为聚偏 二氟乙烯。1969年由日本学者Kawai首先发现，具有很强 的压电特性。与微电子技术结合，能够制成多功能传感元 件；与压电陶瓷结合，开拓了复合材料的新领域。
当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏 电而很快泄漏、消失。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方 向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负 电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。 这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生 压电效应。
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2、压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。 材料内部 的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而 存在电场。
P1
P2
P3
当石英晶体未受 外力作用时, 正、 负离子正好分布 在正六边形的顶 角上, 形成三个 互 成 120° 夹 角 的电偶极矩P1、 P2 、 P3 。 如 图 所示。
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石英晶体压电模型
x y
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P1
P2
P3
当石英晶体受 到沿x轴方向的 压力作用时, 晶 体沿x方向将产 生压缩变形, 正 负离子的相对 位置也随之变 动。
•外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度 很大, 这时的材料才具有压电特性。
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压电陶瓷的正压电效应：
•当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用时, 电畴的界限 发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因而 在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。 •电荷量的大小与外力成正比关系:
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2、等效电路
压电式传感器从功能上讲，是一个电荷发生器；从性质 上讲，又是一个有源电容器（晶体上聚集正负电荷的两表面 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
A
d
e—压电陶瓷或石英晶体的介电常数 A—极板面积
d—压电元件厚度
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当受外力作用时，产生电荷Q
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第6章 压电式传感器
压电式传感器的工作原理
1880年居里兄弟 研究石英时发现
某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电 荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种 有源传感器。
特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大
应用范围：压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲 击与振动等许多非电量的测量，广泛应用于声学、 医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。
电荷等效： Q＝CaUa
电压等效：
ua
Q Ca
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实际使用中，还需要考虑连接电缆的等效电容
Ce、放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及传感器 的泄漏电阻Ra。
实际等效电路如图所示:
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3、压电元件的连接
多片压电元件的组合
单片压电元件产生电荷量甚微，为提高压电传
感器输出灵敏度，在实际应用中常采用两片或以上 同型号压电元件粘贴组合。因此，考虑电荷的极性 因素，其连接法分为串联和并联两种。
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1）串联
C
Cen UenUQeQ
串联使压电传感器时间常数减小， 电压灵敏度增大，适合于电压输出、高 频信号测量场合。
＋＋＋＋ －－－－ ＋＋＋＋ －－－－ ＋＋＋＋ －－－－
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石英晶体压电模型
x y
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P1
P2
P3
此时正负电荷 重心不再重合, 电偶极矩在x 方向上的分量 由于P1的减小 和P2、P3的增 加而不等于零
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石英晶体压电模型
x y
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- --- - -
P1
P2
P3
在x轴的正方 向出现正电荷, 电偶极矩在y 方向上的分量 仍为零, 不出 现电荷。
特点：1）晶体各个方向的特性不相同 2）Z轴（光轴）方向没有压电效应 3）X轴（电轴）面压电效应最强 4）Y轴（机械轴）方向机械变形最大
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光z轴
Fz
Fx Fy
c
电轴x
机械y 轴 F x
Fy
a
b
Qx d11Fx
纵向压电效应
Qy d11 ab压F电y 系数横向压电效应
Qz 0
无压电效应
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1、石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形
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石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
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双 面 镀 银 并 封 装
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石英晶体化学式为 SiO2, 是单晶体结 构。右图表示了天 然结构的石英晶体 外形。它是一个正 六面体。