壓電式傳感器.ppt

1、自動檢測技術,李莉平 7號樓306 670067,第六章 壓電式傳感器,教學要求 1、掌握壓電效應概念，熟悉壓電材料； 2、掌握壓電式傳感器的工作原理及特性； 3、了解壓電式傳感器的等效電路及測量電路； 4、了解壓電式傳感器的應用。,6.1 壓電效應與壓電材料,實驗演示：電子打火機（煤氣灶）點燃火焰。,思考,為何無火種可產(chǎn)生火焰？,1. 壓電效應 正（順）壓電效應：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。,日常生活中的正壓電現(xiàn)象？,在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以

2、看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗淡的藍色閃光，這是強電場放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生閃光的機理也是晶體的壓電效應。,在敦煌的鳴沙丘，當游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙丘上往下滑時，可以聽到雷鳴般的隆隆聲。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是無數(shù)干燥的沙子（SiO2晶體）在重壓引起振動，表面產(chǎn)生電荷，在某些時刻，恰好形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓，并通過空氣放電而發(fā)出聲音。,逆壓電效應：在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電場或電壓，它會產(chǎn)生變形或機械振動。當去掉外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。,日常生活中的逆壓電現(xiàn)象？,音樂賀卡中的壓電片就是利用逆壓電效應而發(fā)聲的。 又如揚聲器、石英鐘、電子表。

3、,2. 壓電材料分類及其特點 具有實用價值的壓電材料基本上可分為三大類：壓電晶體、壓電陶瓷和有機壓電材料。 （1）石英晶體 石英晶體化學式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)，其外形是一個正六面體。 優(yōu)點：性能非常穩(wěn)定。在20200的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化率只有- 0.0001/。 缺點：壓電常數(shù)較?。╠=2.3110-12C/N）。,天然形成的石英晶體外形,石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機械軸。 通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”， 而把沿機械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為

4、“橫向壓電效應”。 而沿光軸z方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應。,光軸,電軸,機械軸,當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。,石英晶體的壓電效應演示,（2）壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，如人工多晶鐵電體。 材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。 在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。 在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料

5、得到極化。外電場愈強， 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時。當外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性,壓電陶瓷的極化 (a) 未極化; (b) 電極化,壓電陶瓷比石英晶體的壓電系數(shù)高得多，而制造成本卻較低，目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。 常用的壓電陶瓷材料主要有以下幾種： （a）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）：有較高的壓電常數(shù)d（200500）10-12C/N和居里點（500左右），是目前經(jīng)常采用的一種壓電材料。 （b）非鉛系壓電陶瓷：為減少

6、鉛對環(huán)境的污染，人們正積極研制非鉛系壓電陶瓷。目前非鉛系壓電鐵電陶瓷體系主要有：BaTiO3基無鉛壓電陶瓷、BNT基無鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽基無鉛壓電陶瓷、鈦酸鉍鈉鉀無鉛壓電陶瓷和鈦酸鉍鍶鈣無鉛壓電陶瓷等，它們的各項性能多已超過含鉛系列壓電陶瓷，是今后壓電鐵電陶瓷的發(fā)展方向。,（3）高分子壓電材料 高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVF2和PVDF的壓電常數(shù)最高。 高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料?？筛鶕?jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀，經(jīng)極化處理后就顯現(xiàn)出電壓特性。 優(yōu)點：不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或

7、較長的尺度，因此價格便宜；聲阻抗約為0.02MPa/s，與空氣的聲阻抗有較好的匹配，可以制成特大口徑的壁掛式低音揚聲器。 缺點：高分子壓電材料的工作溫度一般低于100。溫度升高時，靈敏度將降低。它的機械強度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。,（4）新型材料（補充） 現(xiàn)在還開發(fā)出一種壓電陶瓷-高聚物復合材料，它是無機壓電陶瓷和有機高分子樹脂構(gòu)成的壓電復合材料，兼?zhèn)錈o機和有機壓電材料的性能。可以根據(jù)需要，綜合二相材料的優(yōu)點，制作性能更好的換能器和傳感器，它的接收靈敏度很高，更適合于制作水聲換能器。,3壓電材料的主要特性指標 （1）壓電常數(shù)： 用字母d表示， d=Q/Fx ，該值用于衡量

8、壓電效應強弱，決定壓電輸出的靈敏度； （2）彈性常數(shù)：決定壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性； （3）介電常數(shù)：影響壓電傳感器的頻率下限； （4）機械耦合系數(shù)：衡量壓電材料電能轉(zhuǎn)換效率參數(shù)，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（電能等）與輸入能量（機械能等）之比的平方根； （5）電阻：改善壓電傳感器的低頻特性，減少電荷泄露； （6）居里點：壓電開始喪失壓電特性的溫度。,6.2 壓電式傳感器的工作原理,壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。 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那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力

9、、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。 由于外力作用在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的， 因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動態(tài)測量。,壓電元件連接方式 (a) 相同極性端粘結(jié)； (b) 不同極性端粘結(jié),單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度， 在實際應用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結(jié)在一起。,壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結(jié)構(gòu)堅固、可靠性、穩(wěn)定性高。,6

10、.3 壓電式傳感器的等效電路和測量電路,1壓電元件的等效電路 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， 晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)， 則其電容量為：,壓電晶片,等效電路：等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源（a）或電荷源（b）。,（a）,（b）,2壓電式傳感器的測量電路 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。 放大器作用為： 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。 壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號， 因此

11、前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。,（1） 電壓放大器（阻抗變換器）電路原理圖及其等效電路。,（a） 放大器電路 （b） 等效電路,若壓電元件受正弦力 作用時，則其電壓為：,其中Um為壓電元件輸出電壓幅值，d為壓電系數(shù)。,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Re和Ri并聯(lián)電阻。,式中 ： uo放大器輸出電壓； ucf 反饋電容兩端電壓。,1. 壓電式金屬加工切削力測量 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

12、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。,6.3 壓電式傳感器的應用,2. 玻璃打碎報警裝置 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,質(zhì)量塊,將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成1020mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。 使用時，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。,

13、3. 壓電式測力傳感器,4. 壓電式加速度傳感器,將高分子壓電電纜埋在公路上，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。,5. 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。,高分子壓電電纜的應用演示,6. 壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應用,壓電式步態(tài)分析跑臺,壓電式縱跳 訓練分析裝置,壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力,7.振動測量及頻譜分析,振動可分為機械振動、土木結(jié)構(gòu)振動、運輸工具振動、武器、爆炸引起的沖擊振動等。 從振動的頻率范圍來分，有高頻振動、低頻振動和超低頻振動等。 從振動信號的統(tǒng)計特征來看，可將振動分