第六章压电式传感器综述.ppt

第六章：压电式传感器; 压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。;1680年：石英晶体的压电效应被发现; 如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应（电致伸缩效应） 。; 图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式;压电传感器中的压电元件材料一般有三类：;X轴为电轴，该轴压电效应最为显著（三个）;石英的化学式为SiO2，不受外力时，形成三个互成120度夹角的电偶极矩。其矢量和等于零。;当受到沿Z方向的压力作用时，三个电偶极矩同时沿Z轴平移，矢量和等于零，无压电效应。;天然形成的石英晶体外形;石英晶体切片及封装; 压电陶瓷是一种多晶铁电体，是人工制造的多晶压电材料，比石英晶体的压电灵敏度高得多，制造成本却较低，目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。; 极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分别产生正、负电荷，压电陶瓷在极化方向上压电效应最明显，将极化方向定义为Z轴，垂直于Z轴的平面上任意直线都可作为X轴或Y轴。;压电陶瓷外形; 高分子材料属于有机分子半结晶或结晶的聚合物，其压电效应比较复杂。典型的高分子压电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。。;高分子压电薄膜及拉制 ;可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板; 压电元件受到力F作用时，在相应的表面产生电荷Q。;i表示在i平面上产生电荷，i=1、2、3分别表示在表面垂直与X，Y或Z轴晶体表面，;任意一个压电材料可能产生电荷的表面有三种：;矩阵的每一行表示，压电元件分别受到X，Y、Z轴向的正应力，或垂直于X、Y、Z轴的平面内的剪切力的作用时，在垂直于X、Y、Z轴表面产生电荷的可能性与大小。;石英晶体的压电常数矩阵为：;钛酸钡压电陶瓷的压电常数矩阵为：; 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应考虑以下几个方面： ①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数。 ②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 ③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 ④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点，以期望得到宽的工作温度范围。 ⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。;电荷源：电荷量 Q;电缆电容：; 与压电元件配套的测量电路的前置放大器有两种形式：;设压电元件上受到一个交变力;当R无限大时;图6-10 电压幅值比和相角频率比的关系曲线;图6-10 电压幅值比和相角频率比的关系曲线;增加回路电容，会导致传感器的灵敏度的下降。因此，一般通过提高测量回路的电阻来改善低频响应范围。; 电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器。;图6-11 电荷放大器等效电路;一、高分子压电材料的应用; 将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行, 对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。;高分子压电电缆的应用演示;3)交通监测 ;压电式动态力传感器以及在车床中??于动态切削力的测量 ;压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用;1）非线性 压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。 ;2）横向灵敏度 ;2）横向灵敏度 ;3）环境温度的影响 环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影响的程度也不同。当温度低于400℃时，其压电常数和介电常数都很稳定。 4）湿度的影响 环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。;5）电缆噪声 为了减小这种噪声。可使用特制的低噪声电缆，同时将电缆固紧，以免产生相对运动。 6）接地回路噪声 在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪声。防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地。而且选择指示器的输入端为接地点。;作业：