第3章传统传感元件及检测技术1-压电式技巧.ppt

第3章传统传感元件及检测技术;传统式传感器 电阻应变式 电容式 磁电感式 磁敏式 压电式;3.6.1 压电效应与压电材料 3.6.2 压电式传感器工作原理与测量电路 3.6.3 压电式传感器应用;? 压电式传感器是一种典型的有源 传感器; ? 压电效应具有可逆性，也是一种 典型的“双向传感器”。 ? 材料受力变形时，其表面会有电 荷产生而实现非电量测量。 ;?特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单， 体积小，重量轻，工作可靠。 ?应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、 生物医学、超声、通信、宇航等领域。 ;3.6.1 压电效应与压电材料;压电效应演示:;相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。;压电效应是可逆的 压电元件可以将机械能 电能 也可以将电能 机械能????? ;2. 压电材料----石英晶体和压电陶瓷;（4）机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能 量与输入能量之比的平方根，是 衡量压电材料机— 电能量转换 效率的一个重要参数。 （5）电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄 漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6）居里点温度：指压电材料丧失压电特性的 温度。 （7）时间稳定性：指压电特性不随时间蜕变。;压电材料主要有三大类: 1）压电晶体(石英晶体) 2）压电陶瓷(多晶半导体) 3）新型压电材料 ;1）单晶硅（压电晶体） 单晶硅具有优良的机械和物理性质。 硅材料质量轻，高的强度、密度比和刚度密度比。 硅材料为立方晶体,是各向异性材料。 单晶硅是具有很好的热导性半导体材料，具有优良的电学性质，其压阻效应取决于晶向. 单晶硅应变灵敏系数比金属的高1到2数量级。 单晶硅传感器制造工艺与硅集成电路工艺有很好的兼容性。可实现微型化低功耗，有利于提高传感器的一致性可靠性和快响应。;天然形成的石英晶体外形;石英晶体切片及封装;石英晶体振荡器（晶振）; 多晶硅压阻膜与单晶硅相比，其优点是可在不同衬底材料上制作，如金属材料衬底，而制备过程与常规半导体工艺相容，且无PN结隔离问题，因而有良好的温度稳定性。多晶硅压阻膜应变灵敏系数虽比单晶硅膜低，但仍比金属的高一个数量级。用多晶硅压阻膜可有效地抑制传感器的温漂，是制造低温漂传感器的好材料。;压电陶瓷及其换能器外形;3）高分子压电材料 某些高分子材料如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯(PVC)等可以作为制作压电元件的材料，这些材料不易破碎而且质地柔软，频率响应范围宽、性能稳定。;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;高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）;3.压电特性; 以压电效应为基础的压电传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。 ;1、工作原理及等效电路;如图所示，其电容量为; 如果施加于晶体片上的外力不变时，晶体片两表面上的电荷又无泄漏，那么在外力继续作用时，电荷数保持不变，而在外力作用消失时，电荷也随之消失。故压电式传感器在工作时可以等效为一个与电容并联的电荷源，如图a）所示；; 同时压电式传感器也可看成为一电压源，如图b）所示。电压U、电荷量q和电容量C 三者之间的关系为：;开路状态; 压电式传感器实际使用时总要与测试仪表或测量电路相连，因而还必须要考虑电缆连接电容Cc，前置放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及压电式传感器绝缘电阻Ra，压电式传感器在测量系统中的等效电路如图所示。;2、压电晶片的两种连接方式 多片压电材料的连接方式有串联和并联两种，如图所示。;+; 压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 ?;3、压电式传感器的测量电路;1）电压放大器（阻抗变换器） 串联输出型压电元件等效为电压源，压电效应引起的电容量Ｃe很小，其电压源等效内阻很大，接成电压输出型测量电路时，要求前置放大器不仅有足够的放大倍数，而且应具有很高的输入阻抗，如图a、b所示为电压放大器电路原理图与其等效电路。;Ra—压电式传感器绝缘电阻；