题目
了解各类压电传感器的结构和应用。教学内容 6.1 晶体的压电效应 1﹑压电效应在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时,就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化,从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷,这种效应称为压电效应。2﹑压电材料目前压电材料可分为三大类:一是压电晶体(单晶),它包括压电石英晶体和其他压电单晶;二是压电陶瓷(多晶半导瓷);三是新型压电材料,又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。6.2 压电加速度传感器1﹑压电加速度传感器的工作原理当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数, 即F=ma式中:F—质量块产生的惯性力;m—质量块的质量;a—加速度。此时惯性力F作用于压电元件上,因而产生电荷q,当传感器选定后,m为常数,则传感器输出电荷为q=d11F=d11ma与加速度a成正比。因此,测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。2﹑压电加速度传感器的参数电荷灵敏度对式=(d)_(33)Ma,当=(d)_(33)Ma时得到的电荷Q值,称为电荷灵敏度。式中=(d)_(33)Ma——电荷值;=(d)_(33)Ma——压电常数;=(d)_(33)Ma——质量块质量;=(d)_(33)Ma——物体振动加速度;=(d)_(33)Ma——重力加速度。电压灵敏度对式=(d)_(33)Ma,当=(d)_(33)Ma时即为灵敏度的电压表示法,单位为=(d)_(33)Ma。式中,=(d)_(33)Ma——电荷值;=(d)_(33)Ma——压电常数;=(d)_(33)Ma——质量块质量;=(d)_(33)Ma——物体振动加速度;=(d)_(33)Ma——重力加速度;=(d)_(33)Ma——晶片电极面面积;=(d)_(33)Ma——恒应力下的介电常数。劲度系数=(d)_(33)Ma,式中=(d)_(33)Ma为压电晶片的杨氏模量。固有共振频率=(d)_(33)Ma3﹑压电加速度传感器的结构其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的。 4﹑压电加速度传感器的等效电路=(d)_(33)Ma当压电晶体承受应力作用时,在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器,其电容量为:等效电路为(a):压电元件的等效电路A. 电压源; B. 电荷源 C. =(d)_(33)Ma当两极板聚集异性电荷时,板间就呈现出一定的电压,其大小为 D. Ua和一个电容器Ca的串联电路,如图 (b)。 E. 前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后,压电传感器完整的等效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路(a)和电荷等效电路(b)。这两种等效电路是完全等效的。 F. =(d)_(33)Ma G. 压电传感器的实际等效电路 电压源; 电荷源 由于压电式传感器的输出电信号很微弱,通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗交换以后,方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中,测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。) 前置放大器的作用:一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;二是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式:一是用电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;另一种是用带电容板反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大,几乎可以忽略不计,故而电荷放大器应用日益广泛。 5﹑压电传感器接放大器的等效电路 电压放大器(阻抗变换器) =(d)_(33)Ma 放大器电路; 等效电路 电荷放大器等效电路 =(d)_(33)Ma=(d)_(33)Ma 放大器电路; 等效电路 6.3 压电谐振式传感器 原理:以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成,当被测参量发生变化时,它的固有振动频率随之改变,用基于压电效应的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。 特点:石英晶体谐振式传感器的精度高,响应速度较快,常用于测量温度和压力。 石英晶体温度-频率传感器 LC切型的平凸透镜石英晶体块制成,其直径约为数毫米,凸面曲率半径约为100毫米以上。 原理:谐振器封装于充氦气的管壳内,在传感器电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器,它的基本谐振频率为28兆赫。电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器,它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号,它是被测温度与基准温度(即基准振荡器的温度)之差与 1000赫/℃(温度系数)的乘积,因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲,以获得不同的分辨率。 应用:线性石英晶体-频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面,还可用它制成高分辨率的直读式数字自动温度计。 石英晶体谐振式压力传感器 T切型石英晶体制作的。谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。振子有扁平形、平凸形和双凸形三种,受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。 原理:振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成,谐振器的空腔被抽成真空,振动两侧上各有一对电极。圆筒和端盖严格密封。石英圆筒能有效地传递周围的压力。当电极上加以激励电压时,利用逆压电效应使振子振动,同时电极上又出现交变电荷,通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。当石英振子受静态压力作用时,振动频率发生变化,并且与所加压力成线性关系。在此过程中石英的厚度切变模量随压力的变化起了主要作用。 特点:分离式结构相比整体式结构的主要优点是滞后小、频率稳定性极佳。但它的结构复杂、加工困难、成本也高。 T切型石英晶体制成,振梁横跨于谐振器中央。在振梁的两端上下对称设置四个电极,用于激励振动 和拾取频率信号。当振梁受拉伸力时,其谐振频率提高,反之则频率降低。因此输出频率的变化可反映输入力的大小。这种传感器的优点是对温度、振动、加速度等 外界干扰不敏感、稳定性好、品质因数高、动态响应特性好等。 6.4 声表面波传感器 SAW传感器的基本原理 Surface Acoustic Wave,SAW)是一种沿弹性基体表面传播的声波,其振幅随压电基体材料深度的增大按指数规律衰减。 声表面波传感器——将被测量的变化转换为声表面波振荡器振荡频率的变化,这样就构成了相应用途的声表面波传感器,它是一种新型的频率式传感器。 Wohltjen和Dessy首次提出了将声表面波SAW用作气体传感器,经过20年的研究与发展,目前已研制出SO2、NO2、H2S、水蒸气、丙酮、甲醇等多种SAW气体传感器,广泛应用于有害气体环境监测、临床分析、雷达通讯、电子对抗等军用、民用领域。 SAW压力传感器 SAW压力传感器的压电薄膜就会产生形变,薄膜材料的应变会使得声表面波传播速度发生变化,从而使声表面波的中心谐振频率发生变化。通过检测SAW压力传感器的中心谐振频率变化,就能得到压力变化的数据。 SAW热敏传感器 SAW振荡器振荡频率随温度变化的原理构成的温度传感器,称为SAW热敏传感器。 SAW气敏传感器 声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。声表面波气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂 覆一层选择性吸附气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用,或者是物理吸附),使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时,引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同,膜层质量和导电率变化程度亦不同,即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。 SAW电力传感器(了解) SAW加速度传感器(了解) SAW流量传感器(了解) ⏺
了解各类压电传感器的结构和应用。
教学内容
6.1 晶体的压电效应
1﹑压电效应
在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时,就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化,从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷,这种效应称为压电效应。
2﹑压电材料
目前压电材料可分为三大类:一是压电晶体(单晶),它包括压电石英晶体和其他压电单晶;二是压电陶瓷(多晶半导瓷);三是新型压电材料,又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。
6.2 压电加速度传感器
1﹑压电加速度传感器的工作原理
当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数, 即
F=ma
式中:F—质量块产生的惯性力;m—质量块的质量;a—加速度。
此时惯性力F作用于压电元件上,因而产生电荷q,当传感器选定后,m为常数,则传感器输出电荷为
q=d11F=d11ma
与加速度a成正比。因此,测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。
2﹑压电加速度传感器的参数
电荷灵敏度
对式
,当
时得到的电荷Q值,称为电荷灵敏度。式中
——电荷值;
——压电常数;
——质量块质量;
——物体振动加速度;
——重力加速度。
电压灵敏度
对式
,当时即为灵敏度的电压表示法,单位为
。式中,
——电荷值;——压电常数;——质量块质量;——物体振动加速度;——重力加速度;
——晶片电极面面积;
——恒应力下的介电常数。
劲度系数
,式中
为压电晶片的杨氏模量。
固有共振频率
3﹑压电加速度传感器的结构
其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的。
4﹑压电加速度传感器的等效电路
当压电晶体承受应力作用时,在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器,其电容量为:
等效电路为(a):
压电元件的等效电路
A. 电压源;B. 电荷源
C.
当两极板聚集异性电荷时,板间就呈现出一定的电压,其大小为D. Ua和一个电容器Ca的串联电路,如图 (b)。
E. 前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后,压电传感器完整的等效电路可表示成图5-15所示的电压等效电路(a)和电荷等效电路(b)。这两种等效电路是完全等效的。
F.
G.
压电传感器的实际等效电路
电压源;
电荷源
由于压电式传感器的输出电信号很微弱,通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中,经过阻抗交换以后,方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。(其中,测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。)
前置放大器的作用:一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;二是放大传感器输出的微弱电信号。
前置放大器电路有两种形式:一是用电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比;另一种是用带电容板反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大,几乎可以忽略不计,故而电荷放大器应用日益广泛。
5﹑压电传感器接放大器的等效电路
电压放大器(阻抗变换器)
放大器电路;
等效电路
电荷放大器等效电路
放大器电路;
等效电路
6.3 压电谐振式传感器
原理:以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成,当被测参量发生变化时,它的固有振动频率随之改变,用基于压电效应的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。
特点:石英晶体谐振式传感器的精度高,响应速度较快,常用于测量温度和压力。
石英晶体温度-频率传感器
LC切型的平凸透镜石英晶体块制成,其直径约为数毫米,凸面曲率半径约为100毫米以上。
原理:谐振器封装于充氦气的管壳内,在传感器电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器,它的基本谐振频率为28兆赫。电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器,它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号,它是被测温度与基准温度(即基准振荡器的温度)之差与 1000赫/℃(温度系数)的乘积,因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲,以获得不同的分辨率。
应用:线性石英晶体-频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面,还可用它制成高分辨率的直读式数字自动温度计。
石英晶体谐振式压力传感器
T切型石英晶体制作的。谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。振子有扁平形、平凸形和双凸形三种,受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。
原理:振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成,谐振器的空腔被抽成真空,振动两侧上各有一对电极。圆筒和端盖严格密封。石英圆筒能有效地传递周围的压力。当电极上加以激励电压时,利用逆压电效应使振子振动,同时电极上又出现交变电荷,通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。当石英振子受静态压力作用时,振动频率发生变化,并且与所加压力成线性关系。在此过程中石英的厚度切变模量随压力的变化起了主要作用。
特点:分离式结构相比整体式结构的主要优点是滞后小、频率稳定性极佳。但它的结构复杂、加工困难、成本也高。
T切型石英晶体制成,振梁横跨于谐振器中央。在振梁的两端上下对称设置四个电极,用于激励振动 和拾取频率信号。当振梁受拉伸力时,其谐振频率提高,反之则频率降低。因此输出频率的变化可反映输入力的大小。这种传感器的优点是对温度、振动、加速度等 外界干扰不敏感、稳定性好、品质因数高、动态响应特性好等。
6.4 声表面波传感器
SAW传感器的基本原理
Surface Acoustic Wave,SAW)是一种沿弹性基体表面传播的声波,其振幅随压电基体材料深度的增大按指数规律衰减。
声表面波传感器——将被测量的变化转换为声表面波振荡器振荡频率的变化,这样就构成了相应用途的声表面波传感器,它是一种新型的频率式传感器。
Wohltjen和Dessy首次提出了将声表面波SAW用作气体传感器,经过20年的研究与发展,目前已研制出SO2、NO2、H2S、水蒸气、丙酮、甲醇等多种SAW气体传感器,广泛应用于有害气体环境监测、临床分析、雷达通讯、电子对抗等军用、民用领域。
SAW压力传感器
SAW压力传感器的压电薄膜就会产生形变,薄膜材料的应变会使得声表面波传播速度发生变化,从而使声表面波的中心谐振频率发生变化。通过检测SAW压力传感器的中心谐振频率变化,就能得到压力变化的数据。
SAW热敏传感器
SAW振荡器振荡频率随温度变化的原理构成的温度传感器,称为SAW热敏传感器。
SAW气敏传感器
声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。声表面波气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂 覆一层选择性吸附气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用,或者是物理吸附),使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时,引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同,膜层质量和导电率变化程度亦不同,即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。
SAW电力传感器(了解)
SAW加速度传感器(了解)
SAW流量传感器(了解)
⏺
题目解答
答案
LC切型