壓電傳感器課件

1、第六章 壓電式傳感器 第1頁，共25頁。6-1 壓電式傳感器工作原理一，壓電效應(yīng) 順壓電效應(yīng) ： 某些電介質(zhì)：施力變形內(nèi)部極化兩表面產(chǎn)生電荷； 去力恢復(fù)兩表面不帶電。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)） ： 而且，晶體受力后產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。施加電場(chǎng)變形具有壓電效應(yīng)的材料 ，稱為壓電材料。第2頁，共25頁。（一）石英晶體（SiO2） 天然石英晶體結(jié)構(gòu)外形正六面體 圖6-1a)水晶光軸電軸機(jī)械軸（力軸）第3頁，共25頁。 是晶體的對(duì)稱軸，光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而其貢獻(xiàn)是作為基準(zhǔn)線。Z軸光軸（中性軸）X軸電軸 該軸壓電效應(yīng)最顯著。它通過兩相對(duì)棱線且垂直于Z軸。X軸有三個(gè)。Y軸機(jī)

2、械軸（力軸） 在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。其垂直于兩相對(duì)的棱面。Y軸有三個(gè)。xxxylh 沿軸線切片yy第4頁，共25頁。一般用數(shù)字的下標(biāo)表示壓電晶體的平面或受力方向。即：1，2，3分別表示x,，y，,z4，5，6分別表示x,，y，,z三個(gè)軸向切向作用。引入壓電系數(shù)，diji_在i方向上得到電荷；j_在j方向受力。平行x向受力(Fx)，則在電軸所在的表面上產(chǎn)生電荷量為：縱向壓電效應(yīng)：結(jié)論當(dāng)晶片受到x向壓力時(shí)，qxx與作用力Fx成正比，而且與晶片的幾何尺寸無關(guān)。壓電系數(shù)：xFxFx第5頁，共25頁。當(dāng)作用力沿機(jī)械軸y-y方向時(shí),其電荷量仍在與xx軸垂直的平面出現(xiàn)，將這種壓電效應(yīng)稱為：“橫向壓電效

3、應(yīng)”：晶片長寬比沿光軸z-z：FZ不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)與尺寸有關(guān)，比值越大，靈敏度越高。xFyFy根據(jù)石英晶體的對(duì)稱條件：當(dāng)晶片受到y(tǒng)向壓力時(shí)，qxy與作用力Fy成正比，而且與晶片的幾何尺寸有關(guān)。結(jié)論第6頁，共25頁。（二）壓電陶瓷人工制造的多晶壓電材料極化處理：在一定溫度下，對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)，使極性軸轉(zhuǎn)到接近電場(chǎng)的方向，這個(gè)方向就是極化方向（Z軸）。圖6-6b)壓電陶瓷 是人工制造的多晶體壓電材料。人工：壓電陶瓷本身并非壓電體，通過人工“極化”處理后成為壓電體。特點(diǎn)：壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英晶體的幾百倍。未極化前極化后第7頁，共25頁。 1），當(dāng)受陶瓷沿極化方向（Z軸）作用力時(shí)：

4、壓電陶瓷縱向壓電常數(shù)?？梢詾槭⒕w的幾百倍。2），當(dāng)受垂直于極化方向（X軸或Y軸）作用力時(shí)，由于垂直面各向同性，下標(biāo)（1，2）可以互換。即：Ax極化面面積Ay受力面的面積xyzFF+xyzFF+第8頁，共25頁。 比較： 石英晶體：在穩(wěn)定性方面至今無與倫比，常作標(biāo)準(zhǔn)傳感器或者精度要求很高的傳感器。 壓電陶瓷：壓電系數(shù)可為石英晶體的幾十幾百倍，價(jià)格便宜。目前使用最普遍。第9頁，共25頁。6-2 壓電材料和它的主要特性壓電材料的主要特性包括：（1）壓電常數(shù)d：產(chǎn)生電荷與作用力之間的關(guān)系；（2）剛度：剛度是指物體在外力作用下，抵抗變形的能力。剛度越高，物體表現(xiàn)的越“硬”。 壓電材料的剛度影響壓電材

5、料的固有頻率；（3）介電常數(shù)：決定壓電常數(shù)的固有電容。電容增加，頻率降低；（4）電阻：壓電材料通常具有較高的內(nèi)阻，有利于減少電荷泄漏，改善低頻響應(yīng)；（5）居里點(diǎn)：居里溫度是指材料可以在鐵磁體和順磁體之間改變的溫度。低于居里溫度時(shí)該物質(zhì)成為鐵磁體，此時(shí)和材料有關(guān)的磁場(chǎng)很難改變。當(dāng)溫度高于居里溫度時(shí),該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場(chǎng)很容易隨周圍磁場(chǎng)的改變而改變。 在居里點(diǎn)溫度時(shí)，壓電材料的壓電性能破壞。第10頁，共25頁。6-3 壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式 在壓電傳感器中，常采用兩片或兩片以上的壓電材料組合在一起使用。連接方式：并聯(lián)和串連并聯(lián)：串聯(lián)：輸出電荷量大，本身電容量也大，所以時(shí)間常數(shù)較大。輸出電壓

6、高，自身電容小，適用于以電壓作為輸出量，以及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。特點(diǎn)特點(diǎn)第11頁，共25頁。 一、壓電式傳感器的等效電路6-4 測(cè)量電路第12頁，共25頁。 壓電式傳感器在測(cè)量時(shí)要與測(cè)量電路相連接，于是就得考慮電纜電容Cc，放大器的輸入電阻Ri，輸入電容Ci，以及壓電式傳感器的泄漏電阻Ra?？紤]這些因素，等效電路就如圖6-11 a,b)所示。第13頁，共25頁。二、測(cè)量電路壓電式傳感器：前置放大器： 高輸入阻抗，低輸出阻抗，放大阻抗 變換壓電傳感器對(duì)測(cè)量電路的要求。電壓或電荷放大電壓信號(hào)產(chǎn)生的電荷量小、內(nèi)阻高(高阻抗）、信號(hào)弱。第14頁，共25頁。 設(shè)有一恒定的力作用在壓電傳感器的晶體

7、元件上，使壓電晶體表面產(chǎn)生電荷q，并在晶體表面間產(chǎn)生電壓ua。 假定，壓電傳感器的絕緣電阻Ra不能無限大，因此將有電荷通過Ra泄漏，使電壓ua不能保持恒定值，。分析要求：傳感器自身絕緣電阻極高； 測(cè)量電路前級(jí)輸入端的輸入阻抗極高。代入上式：解得：，式中：第15頁，共25頁。誤差分析級(jí)數(shù)展開：因此，由于電荷泄漏而導(dǎo)致的電壓損失（絕對(duì)誤差）：相對(duì)誤差：式中：在實(shí)際應(yīng)用中： 輸出電壓的衰減速率有電路的時(shí)間常數(shù)RiC決定； 為了減小漏電的測(cè)量誤差，要求時(shí)間常數(shù)盡量大，所以要求電路的輸入電阻Ri應(yīng)盡量大；第16頁，共25頁。等效電阻： 等效電容：（一）電壓放大器放大器輸入端電壓第17頁，共25頁。 設(shè)壓

8、電元件受作用力：則壓電元件上輸出電壓：而放大器輸入端電壓：寫成復(fù)數(shù)形式：第18頁，共25頁。 輸入電壓幅值：輸入電壓與作用力的相位差： 測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)討論（1）當(dāng) 時(shí)，放大器輸入電壓Uim與 無關(guān)，即傳感器高頻響應(yīng)好；（2）當(dāng) 時(shí)，靈敏度將下降。（3）為了擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，可減小 ，則必須提高測(cè)量電路的時(shí)間常數(shù)。第19頁，共25頁。當(dāng)：電荷靈敏度：；F作用力電壓靈敏度：第20頁，共25頁。采用輸入內(nèi)阻很大的前置放大器，可獲得良好的低頻特性，又不影響電壓靈敏度。 （2）從Uim與電纜電容Cc有關(guān)，即與電纜長度有關(guān)。因此，在電壓放大器的使用中，若改變電纜長度，須重新校正靈敏度值。討論（1）第21頁，共25頁。 （二）電荷放大器1，電荷電壓轉(zhuǎn)換放大，輸出電壓正比于輸入電荷。2，阻抗變換，將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源。其輸入阻抗達(dá) 3，突出優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。,而輸出阻抗小