项目六--压电式课件.ppt

一、项目要求,【知识要求】1.了解压电效应的原理、压电式传感器的发展方向与应用。2.了解石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料的压电机理。了解压电晶片的纵向压电效应和横向压电效应。3.掌握压电式传感器的结构及工作原理。4.掌握压电式传感器的功能及工作特点、压电元件串联和并联的特性。5.掌握压电式传感器的测量方法。,一、项目要求,【能力要求】1.正确地识别各种压电式传感器及其特点和其在整个工作系统中的作用。2.在设计中，能够根据工作系统的特点，找出匹配的压电式传感器。3.能够准确判断出传感器的好坏，熟练掌握压电式传感器的测量方法。4.能够设计一个简单的测量电路。,二、相关知识,（一）压电式传感器的工作原理1压电效应压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。对这些物质沿其某一方向施加压力或拉力时会产生变形，由于内部电荷的极化现象，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。将外力去掉后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。有时人们又把这种机械能转变为电能的现象称为“正压电效应”。反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。它能实现机电能量的相互转换，如图所示。,二、相关知识,压电效应可逆性,二、相关知识,如图所示为天然结构的石英晶体，它是一个六角形晶柱。在直角坐标系中，z轴表示其纵向轴，称为光轴；x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴；y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。通常把沿电轴(x轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；而把沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；在光轴(z轴)方向受力时则不产生压电效应,天然结构的石英晶体,二、相关知识,从晶体上沿轴线切下的薄片称为晶体切片，如图所示即为石英晶体切片的示意图。在每一切片上，当沿电轴方向施加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷Qx，它的大小为式中，d11为压电系数(C/g或C/N)。,石英晶体切片示意图,二、相关知识,在片状压电材料的两个电极面上，如果加交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象。压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，即前面所讲的“逆压电效应”。,晶体切片电荷符号与受力方向的关系,二、相关知识,下面以石英晶体为例来说明压电晶体是怎样产生压电效应的。石英晶体的分子式为SiO2，如图(a)所示。硅原子带有4个正电荷，而氧原子带有2个负电荷，正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。,石英晶体的压电效应,二、相关知识,2压电材料简介具有压电效应的电介物质称为压电材料或压电元件，在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应都十分微弱。随着对压电材料的深入研究，发现压电式传感器中用得最多的压电材料可以分为两大类，即各类压电陶瓷（极化处理的多晶体）和压电晶体。它们都具有较大的压电常数、优良的机械性能、时间稳定性好、温度稳定性也很好等优点，是较理想的压电材料。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积，它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。,二、相关知识,（1）压电晶体常见压电晶体有天然和人造石英晶体。石英晶体的化学成分为SiO2，压电系数d11=2.3110-12 C/N。在几百度的温度范围内，其压电系数稳定不变，能产生十分稳定的固有频率f0，能承受7001000 kg/cm2的压力，是理想的压电传感器的压电材料。除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体。它包括单斜晶系和正方晶系。例如，酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O)、酒石酸乙烯二铵(C6H4N2O6)等。还有如磷酸二氢钾(KH2PO4)、磷酸二氢氨(NH4H2PO4)等正方晶系。,二、相关知识,（2）压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡(BaTiO3)压电系数d33=1901012 C/N。但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作成各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。,二、相关知识,压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴（具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域称电畴）。在极化处理以前，各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，如图(a)所示。在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，如图(b)所示。既然已极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当外电场撤销后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零，如图(c)所示，此时存在剩余极化强度。,压电陶瓷的极化,二、相关知识,同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负，如图所示。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，因此陶瓷片对外不呈现极性。,束缚电荷和自由电荷排列的示意图,二、相关知识,如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电踌发生偏转，极化强度变小，因此，吸附在其表面的自由电荷有一部分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。,二、相关知识,（二）压电式传感器测量电路1压电晶片的连接方式压电式传感器的基本原理是压电材料的压电效应，因此可以用它来测量力和与力有关的参数，如压力、位移、加速度等。由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其表面加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。,二、相关知识,制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片黏贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性。因此接法有并联和串联两种，如图所示。,两块压电片的连接方式,二、相关知识,并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量变化慢的信号，并以电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电容小，适宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。2压电式传感器的等效电路当压电晶片受力时，在晶片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，因此压电晶片相当于一只平行板介质电容器，如图所示。,压电式传感器等效电路,二、相关知识,其电容量为式中S极板面积；d压电晶片厚度；压电材料的介电常数。,二、相关知识,所以，可以把压电式传感器等效为一个电压源U=和一只电容Ce串联的电路，如图(a)所示。由图可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要以RCe为时间常数按指数规律放电。压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联电路，此时，该电路被视为一个电荷发生器，如图(b)所示。,压电式传感器的等效电路,二、相关知识,压电式传感器在实际使用时，总是要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容Ce、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci，这样压电式传感器在测量系统中的等效电路就应如图所示。图中Ce、Rd分别为传感器的电容和漏电阻。,压电式传感器在测量系统中的等效电路,二、相关知识,3压电式传感器的测量电路为了保证压电式传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载电阻RL要大到一定数值，才能使晶片上的漏电流相应变小，因此在压电式传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。根据前面的等效电路，它的输出可以是电压，也可以是电荷，因此前置放大器也有两种形式，即电压放大器和电荷放大器。,二、相关知识,（1）电压放大器(阻抗变换器),电压幅值比以及相角与频率比的关系曲线,二、相关知识,图(a)给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的输入阻抗(1000M)和很低的输出阻抗(100 M；BG2管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。R4既是BG2的源极接地电阻，也是BG2的负载电阻，R4上的交变电压通过C2反馈到场效应管BG2的输入端，使A点电位提高，保证较高的交流输入阻抗。,电压放大器,输出阻抗为,二、相关知识,式中，gm为场效应管的跨导。由于引入负反馈，使输出阻抗减小。图(b)是由运算放大器构成的电压比例放大器。该电路输入阻抗极高，输出电阻很小，是一种比较理想的石英晶体的电压放大器。,电压放大器,二、相关知识,（2）电荷放大器电荷放大器是一个有反馈电容Cf的高增益运算放大器。当略去Rd和Ri的并联等效电阻R后，压电式传感器常使用的电荷放大器可用如图所示的等效电路表示。图中A为运算放大器增益。由于运算放大器具有极高的输入阻抗，因此放大器的输入端几乎没有分流，电荷q只对反馈电容Cf充电。,常用的电荷放大器的等效电路,二、相关知识,由于电压放大器的输出电压随传感器输出电缆电容的变化而变化，所以在实际测量中，主要使用电荷放大器。图给出一个电荷放大器的实用电路。需要注意的是，这两种放大器电路的输入端都应加过载保护电路。否则，在传感器过载时会产生过高的输出电压。,电荷放大器的实用电路,三、项目实施,（一）实施要求（1）通过本项目的实施，在掌握压电式传感器的基本结构和工作原理的基础上掌握压电式传感器的器件识别、故障判断、测量方法和实际应用。（2）该项目需要压电式传感器实训台或相关设备、导线若干、相关的仪表、万用表、示波器。,三、项目实施,（二）实施步骤（1）找出压电式传感器在电路中的位置，并判断是什么类型的传感器。（2）分析测量电路的工作原理，观察压电式传感器工作过程中的现象。（3）找出各个单元电路，记录其电路组成形式。（4）按照原理图用导线将电路连接好，检查确认无误后，启动电源。（5）观察各单元电路的工作情况，记录其在工作过程中不同状态下的数据。,四、拓展知识,（一）压电式传感器的应用,1压电式加速度传感器（1）工作原理如图所示为压电式加速度传感器的结构原理图，压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在镀银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电片上放置一个比较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量块预加载荷。,压电式加速度传感器的结构原理图,四、拓展知识,整个组件装在一个厚基座的金属壳体中，为了隔离试件的任何应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，所以一般要加厚基座或选用刚度较大的材料来制造。测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起。当传感器感受振动时，由于弹簧的刚度相当大，而质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片具有压电效应，因此在它的两个表面上就产生交变电荷（电压），当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。输出电量由传感器输出端引出，输入到前置放大器后就可以用普通的测量仪器测出试件的加速度，如在放大器中加入适当的积分电路，就可以测出试件的振动速度或位移。,四、拓展知识,（2）灵敏度传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Kq表示；与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度KU表示，其一般表达式为和式中Q压电式传感器输出电荷量(C)；Ua传感器的开路电压(V)；a被测加速度(ms2)。,四、拓展知识,（3）频率特性压电式加速度传感器可以简化成由集中质量m、集中弹簧K和阻尼器c组成的二阶单自由度系统(见图下图)。,压电式加速度传感器简化模型,四、拓展知识,电荷放大器的下限截止频率为,式中Rf反馈电阻；Cf反馈电容。,一般电荷放大器的下限截止频率可低至0.3 Hz，甚至更低。因此，当压电式传感器与电荷放大器配合使用时，低频响应是很好的，可以测量接近静态的变化非常缓慢的物理量。压电式传感器的高频响应特别好。只要放大器的高频截止频率远高于传感器自身的固有频率。那么，传感器的高频响应完全由自身的机械问题决定，放大器的通频带要做到100 kHz以上并不困难。因此，压电式传感器的高频响应只需要考虑传感器的固有频率。,（4）压电式加速度传感器的结构,四、拓展知识,压电式加速度传感器的典型结构1基座；2压电晶片；3质量块；4弹簧片；5电缆,四、拓展知识,2压电式测力传感器,单向压电式测力传感器的结构图,四、拓展知识,图给出一种测量均布压力的传感器结构。拉紧的薄壁管对晶片提供预载力，而感受外部压力的是由挠性材料做成的很薄的膜片。预载筒外的空腔可以连接冷却系统，以保证传感器工作在一定的环境温度条件下，避免因温度变化造成预载力变化引起的测量误差。,测量均布压力的传感器,四、拓展知识,图为另一种压电式压力传感器的结构。它采用两个相同的膜片对晶片施加预载力，从而可以消除由振动加速度引起的附加输出。,消除振动加速度影响的传感器,3微重力压电晶体生物传感器压电材料价廉、简单，且输出电压较大，因而在生物医学领域得到广泛应用。下面介绍一种使用压电晶体的电子微重力测量传感器及其原理。,四、拓展知识,用电子微重力生物传感器组成的测量系统,五、项目实训,（一）压电式传感器振动实验1.实验目的了解压电式传感器测量振动的原理和方法。2.实验仪器振动源、低频振荡器、直流稳压电源、压电式传感器模块、移相检波低通模块。3.实验原理压电式传感器由惯性质量块和压电陶瓷片等组成（观察实验用压电式加速度计结构）工作时传感器感受与试件相同频率的振动，质量块便有正比于加速度的交变力作用在压电陶瓷片上，由于压电效应，压电陶瓷产生正比于运动加速度的表面电荷。,五、项目实训,4.实验内容与步骤（1）压电式传感器已安装在振动梁的圆盘上。（2）将振荡器的“低频输出”接到三源板的“低频输入”，并按如图所示接线，合上主控台电源开关，调节低频调幅到最大、低频调频到适当位置，使振动梁的振幅逐渐增大（直到共振）。,压电式传感器实训电路,五、项目实训,（3）将压电式传感器的输出端接到压电式传感器模块的输入端Ui1、Uo1接Ui2、Uo2接低通滤波器输入端Ui，输出端Uo接通信接口CH1，用上位机观察压电式传感器的输出波形Uo。5.实验报告改变低频输出信号的频率，记录振动源不同振幅下压电式传感器输出波形的频率和幅值。,本章结束,