压电式力传感器压电式力传感器一、压电效应一、压电效应二、压电材料二、压电材料三、压电式传感器的测量电路三、压电式传感器的测量电路四、压电式传感器的应用四、压电式传感器的应用1压压电电式式传传感感器器是是一一种种典典型型的的发发电电型型传传感感器器，以以电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础，在在外外力力作作用用下下, ,在在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压压电电式式传传感感器器可可以以对对各各种种动动态态力力、机机械械冲冲击击和和振振动动进进行行测测量量，在在声声学学、医医学学、力力学学、导导航航方面都得到广泛的应用方面都得到广泛的应用。压压电电式式传传感感器器具具有有响响应应频频带带宽宽、灵灵敏敏度度高高、信信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。概述概述2压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电秤重浮游计压电警号压电警号压电加速度计3某些电介质（晶体）某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；一、压电效应一、压电效应这种现象称这种现象称正压电效应正压电效应4石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电的频率与动态力的频率相同；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。荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。5压电元件压电元件机械能电能vv 压电效应是可逆的压电效应是可逆的在在介介质质极极化化的的方方向向施施加加电电场场时时，电电介介质质会会产产生生形变，将电能转化成机械能，这种现象称形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应逆压电效应”。压电元件可以将机械能压电元件可以将机械能转化成电能转化成电能也可以将电能也可以将电能转化成机械能。转化成机械能。正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应67超声波传感器超声波传感器81 1、石英晶体的压电效应、石英晶体的压电效应ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX石英晶体的理想外形是石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵直的轴来表示，其中纵向轴向轴ZZ称为称为光轴光轴；经；经过正六面体棱线，并垂过正六面体棱线，并垂直于光轴的直于光轴的XX轴称为轴称为电轴电轴；与；与XX轴和轴和ZZ轴同时垂直的轴同时垂直的YY轴轴（垂直于正六面体的棱（垂直于正六面体的棱面）称为面）称为机械轴机械轴。9(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应，是是由由其其内内部部结结构构决决定定的的。组组成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子Si4+和和氧氧离离子子O2-在在Z平平面面投投影影，如如图图(a)。为为讨讨论论方方便便，将将这这些些硅硅、氧氧离离子子等等效效为为图图(b)中中正正六六边边形形排排列列，图图中中“”代代表表Si4+，“”代代表表2O2-。 10晶晶体体沿沿X X方方向向将将产产生生收收缩缩，电电偶偶极极矩矩在在X X方向的分量为方向的分量为(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0即即在在X X轴轴的的正正向向出出现现正正电电荷荷，在在Y Y、Z Z轴轴方方向则不出现电荷向则不出现电荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0 正正、负负离离子子（即即Si4+和和2O2-）正正好好分分布布在在正正六六边边形形顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120 夹夹角角的的偶偶极极矩矩P1、P2、P3，电电偶偶极极矩矩的的矢矢量量和和等于零，即等于零，即 P1P2P30（P1+P2+P3）X1，那么，输入电压幅值Uim为上上式式表表明明理理想想情情况况时时前前置置放放大大器器输输入入电电压压Uim与与频频率率无无关关，一一般般在在/03时时，就就可可以以认认为为Uim与与无无关关，0表示测量电路时间常数之倒数，即这表明在测量回路的时间常数一定的情况下这表明在测量回路的时间常数一定的情况下，压电传感器有很压电传感器有很好的高频响应，也就是测量电路输出与被测信号频率无关好的高频响应，也就是测量电路输出与被测信号频率无关。35当作用于压电元件的力为静态力（当作用于压电元件的力为静态力（=0）时，）时，前置放大器的前置放大器的输出电压等于零，输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，身漏电阻漏掉，所以所以压电传感器不能用于静态力的测量压电传感器不能用于静态力的测量。36当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得因为R1，故上式可以近似为可见，可见，Ku与回路电容成反比与回路电容成反比，增加回路电容必然使，增加回路电容必然使Ku下降。为此常下降。为此常将将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时的电缆长度时Cc将改变，必须重新校正灵敏度值。将改变，必须重新校正灵敏度值。37因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。38例：一只压电式加速度计，供它专用的电缆长度为例：一只压电式加速度计，供它专用的电缆长度为1.2m，电缆电，电缆电容为容为100pF，压电片本身电容为，压电片本身电容为1000pF。出厂时标定的电压灵敏度。出厂时标定的电压灵敏度为为100v/g(g为重力加速度），若使用中改用另一根长为为重力加速度），若使用中改用另一根长为2.9m的电缆，的电缆，其电容量为其电容量为300pF，问电压灵敏度会不会改变，如何改变？，问电压灵敏度会不会改变，如何改变？UaCcCaU0将压电式加速度计等效为电压源，不考虑其泄露电阻，其等效电路如图所示。输出电压为：电缆电容改变为Cc时，输出电压变为：压电式加速度计的电压灵敏度与输出电压成正比，所以更换电缆后，灵敏度变为：39电荷放大器由一个反馈电容C f和高增益运算放大器构成。2.电荷放大器电荷放大器若放大器的开环增益A0足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没放大器输入端几乎没有分流有分流，运算电流仅流入反馈电容CF。由图可知i的表达式为：U0(a)电荷放大器电路电荷放大器电路qCaUiCcCi40根据该式画出等效电路图(b)反馈电容反馈电容CF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1A0)倍。所以图中C=(1A0)CF；这就是所谓“密勒效应”的结果。(a)电荷放大器电路电荷放大器电路qCaUiCcCiU0(b)电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路qCaUiCcCi C U041运放输入电压运放输入电压运算放大器输出端电压为：运算放大器输出端电压为：(b)电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路qCaUiCcCi C U0通常A=104108,（A+1)Cf(Ca+Cc+Ci)，则上式可近似为：，则上式可近似为：42说明电荷放大器输出电压只与电荷说明电荷放大器输出电压只与电荷q、反馈电容、反馈电容Cf有关，与放大倍数及电有关，与放大倍数及电缆电容无关缆电容无关,当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出，这是电荷放大器的最大特点。这是电荷放大器的最大特点。反馈电容反馈电容Cf为常数时，输出电压与电荷为常数时，输出电压与电荷q成正比。成正比。反馈电容增大，输出电压将减小，所以应选择合适的反馈电容反馈电容增大，输出电压将减小，所以应选择合适的反馈电容Cf值。值。CF一般取值100-104pF。43七、压电式传感器的应用七、压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（一）压电式加速度传感器（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器（三）压电式流量计（三）压电式流量计（四）集成压电式传感器（四）集成压电式传感器（五）压电传感器在自来水管道测漏中的应用（五）压电传感器在自来水管道测漏中的应用（六）超声应用（六）超声应用44 当当传传感感器器感感受受振振动动时时，因因为为质质量量块块相相对对被被测测体体质质量量较较小小，因因此此质质量量块块感感受受与与传传感感器器基基座座相相同同的的振振动动，并并受受到到与与加加速速度度方方向向相相反反的的惯惯性性力力，此此力力Fma。同同时时惯惯性性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为力作用在压电陶瓷片上产生电荷为运动方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图（一）（一） 压电式加速度传感器压电式加速度传感器结结构构：纵纵向向效效应应型型、横横向向效效应应型型和和剪剪切切效效应应型型三三种种，纵纵向向效效应应是是最最常常见见的的。压压电电陶陶瓷瓷4和和质质量量块块2为为环环型型，通通过过螺螺母母3对对质质量量块块预预先先加加载载，使使之之压压紧紧在在压压电电陶陶瓷瓷上上。测测量量时时将将传传感感器器基基座座5与与被被测测对对象象牢牢牢牢地地紧紧固固在一起。输出信号由电极在一起。输出信号由电极1引出。引出。qd33Fd33ma45连连接接方方式式：图图(a)为为并并联联形形式式，片片上上的的负负极极集集中中在在中中间间极极上上，其其输输出出电电容容C为为单单片片电电容容C的的两两倍倍，但但输输出出电电压压U等等于于单单片片电电压压U，极极板板上上电电荷荷量量q为为单单片片电电荷荷量量q的的两两倍倍，即即图图( (b) )为为串串联联形形式式，正正电电荷荷集集中中在在上上极极板板，负负电电荷荷集集中中在在下下极极板板，而而中中间间的的极极板板上上产产生生的的负负电电荷荷与与下下片片产产生生的的正正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q等于单等于单片电荷片电荷q，而输出电压而输出电压U为单为单片电压片电压U的二倍，总电容的二倍，总电容C为为单片电容单片电容C的一半，即的一半，即+(a)并联(b)串联叠层式压电元件+l并并联联接接法法，输输出出电电荷荷大大，时时间间常常数数大大，宜宜用用于于测测量量缓缓变变信信号号，并并且适用于以电荷作为输出量的场合。且适用于以电荷作为输出量的场合。l串串联联接接法法，输输出出电电压压大大，本本身身电电容容小小，适适用用于于以以电电压压作作为为输输出出信信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。号，且测量电路输入阻抗很高的场合。46（二）（二） 压电式压力传感器压电式压力传感器根根据据使使用用要要求求不不同同，压压电电式式测测压压传传感感器器有有各各种种不不同同的结构形式。但它们的基本原理相同。的结构形式。但它们的基本原理相同。压压电电式式测测压压传传感感器器的的原原理理简简图图。它它由由引引线线1、壳壳体体2、基基座座3、压压电电晶晶片片4、受受压压膜膜片片5及及导导电电片片6组组成成。当当膜膜片片5受受到到压压力力P作作用用后后，则则在在压压电电晶晶片片上上产产生生电电荷荷。在在一一个个压电片上所产生的电荷压电片上所产生的电荷q为为F作用于压电片上的力；作用于压电片上的力；d11压电系数；压电系数；P压强，压强，；S膜片的有效面积。膜片的有效面积。123456p压电式测压传感器原理图压电式测压传感器原理图47测测压压传传感感器器的的输输入入量量为为压压力力P，如如果果传传感感器器只只由由一一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：因为因为，所以电压灵敏度也可表示为，所以电压灵敏度也可表示为U0压电片输出电压；压电片输出电压；C0压电片等效电容压电片等效电容电荷灵敏度电荷灵敏度电压灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度电荷灵敏度48压磁式传感器基本原理传感器的形式参数选取的基本原则压磁传感器的误差下一页返回49基本原理压磁效应:某些铁磁物质在外界机械力的作用下，其内部产生机械应力，从而引起磁导率的改变。磁致伸缩:某些铁磁物质在外界磁场的作用下会产生变形，有些伸长，有些则压缩。上一页下一页返回50磁致伸缩正磁致伸缩:当某些材料受拉时，在受力方向上磁导率增高，而在与作用力相垂直的方向上磁导率降低；负磁致伸缩:某些材料受拉时，在受力方向上磁导率降低，而在与作用力相垂直的方向上磁导率增高只有在一定条件下(如磁场强度恒定)压磁效应才有单值特性，但不是线性关系上一页下一页返回51铁磁材料的压磁应变灵敏度表示方法与应变灵敏度系数表示方法相似式中,磁导率的相对变化；l在机械力的作用下铁磁物质的相对变形上一页下一页返回52工业纯铁的和l的关系上一页下一页返回53压磁应力灵敏度单位机械应力,所引起的磁导率相对变化压磁传感器:用来测量压力、拉力、弯矩、扭转力(或力矩)变换链上一页下一页返回54传感器的形式1用一个方向磁导率的变化的传感器2 用两个方向上磁导率的改变3 维捷曼效应上一页下一页返回55用一个方向磁导率的变化用一个方向磁导率的变化上一页下一页返回56(a)(b):测量压力P用的传感器与电感传感器相似，它通过改变磁导率来达到电感值的改变。式中,L传感器的电感；K1K2与激磁电流大小有关的系数，在一定条件下可认为是近似的常数。上一页下一页返回57(e)(d):与互感形传感器相似式中,E2传感器输出感生电势； u1原端励磁电压；W1，W2一次和二次绕组的匝数；K(P)系数，它与激磁电流频率及幅值有关同时也与被测力P有关上一页下一页返回58(c):压磁应变片在日字形铁芯凸起在外的中间铁舌上绕上绕组，使用时将它粘在被测应变的工件表面，使其整体与被测工件同时发生变形，从而引起铁芯中磁导率改变、导致电感值改变。这种结构也可在铁舌上绕两个绕组做成变压器形传感器，常称为互感型压磁应变片。上一页下一页返回592用两个方向上磁导率的改变用两个方向上磁导率的改变（a）传感器结构（b）传感器在没受外力E2=0（c）传感器受拉力E20（d）传感器受压力E20相位与受拉力相差180常用来测量几万牛顿的压力，耐过载能力强，线性度3%-5%。上一页下一页返回603维捷曼效应维捷曼效应在卷捻棒状铁磁物质时，在其上将出现一个按着螺旋形分布的区域，在这个区域中磁导率沿螺旋方向增加。（a）逆“维捷曼”效应:在一根旋转的铁磁轴中若流有电流，则在轴中不仅有环形磁通，还有轴向磁通存在。(b)顺“维捷曼”效应:带有电流的铁磁轴放在磁场中，则此轴将出现扭曲变形（称为）。上一页下一页返回61维捷曼效应测量非电量的原理（a）（）（b）是用来测量转矩是用来测量转矩M图（图（c）是用来测量气体压力的是用来测量气体压力的上一页下一页返回62图（b）将激磁电压加在轴上当转矩M0，产生的电势当时，上式有效。上一页下一页返回63参数选取的基本原则铁芯尺寸主要由选用材料允许应力的限制。而磁场强度主要是影响传感器的灵敏度。Z/Z关系曲线和Z/Z的最大值均出现在H值很相近的位置上，因此传感器的设计磁场强度可近似的取在图中磁导率最大值的一点附近，即取上一页下一页返回64表1名称材料坡莫合金45%Ni0.94%0.02变压器钢4.5%Si0.84%0.2工业纯铁0.81%0.15上一页下一页返回65有磁场强度H之后，可由下式求绕组参数绕组匝数供电电压可用下式决定：式中，S磁通路的截面积()所选H处的磁导率()。上一页下一页返回66压磁传感器的误差压磁传感器的误差1磁滞误差2线性误差3. 老 化4温度误差上一页下一页返回671磁滞误差磁滞误差由铁磁材料的磁滞特性造成的，误差的特点：误差的特点：动态测量时小（1%）,静态测量大约在4%。此误差的大小还与磁场强度有关上一页下一页返回68线性误差线性误差测量中要经过多次变化才能完成，而这些变换均为非线性变换，因此这种传感器有较大的非线性。减少非线性:牺牲灵敏度的方法使B（或是说H值不在最佳点上）选取在磁化曲线的线性段中，可对传感器加初始预应力，使其工作在线性段内，上一页下一页返回69.老化随着时间流逝，传感器的磁导率会发生变化，内应力要改变，导致传感器灵敏度不稳定，造成的误差约在0.5%（实芯传感器）2%（叠片式）。温度误差环境温度改变会引起线圈直流电阻值改变、磁导率改变、磁致伸缩效应改变等等，因而造成温度误差。上一页返回70