医用传感器_6.ppt

第6章压电式传感器 等效电路及测量电路 1 2 第6章压电式传感器 6 3 压电传感器的应用 第一节压电效应 某些电介质 当沿着一定方向对其施力而使它变形时 其内部就产生极化现象 内部正负电荷中心相对位移 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷 当外力去掉后 其又重新恢复到不带电状态 这种现象称压电效应 当作用力方向改变时 电荷的极性也随之改变 这种机械能转换为电能的现象 称为 正压电效应 压电效应 当在电介质极化方向施加电场 这些电介质也会产生机械变形 在撤掉外加电场时 机械变形也随之消失 这种电能转换为机械能的现象 称为 逆压电效应 电致伸缩效应 具有压电效应的材料称为压电材料 压电材料能实现机 电能量的相互转换 石英晶体的压电效应 石英晶体是属于六角晶系 有三个晶轴 Z轴又称光轴 它与晶体的纵轴线方向一致 X轴又称电轴 它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴 y轴又称机械轴 它垂直于两个相对的晶柱棱面 从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片 当沿着X轴对压电晶片施加力Fx时 晶片将产生厚度变形 并在垂直于X轴的表面上产生电荷Qx 大小为 极间电压为 式中 d11 x方向受力的压电系数 Cx 晶片电容 当晶片受到X向的压力作用时 Qx与作用力Fx成正比 而与晶片的几何尺寸无关 如果作用力Fx改为拉力时 则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷 但极性相反 把沿电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 当沿着y轴对压电晶片施加力Fy时 晶片将产生长度变形 电荷Qy仍然出现在于X轴垂直的表面上 大小为 式中 d12 y方向受力的压电系数 根据轴对称条件 d12 d11 当晶片受到y向的压力作用时 Qy与晶片的几何尺寸有关 把沿机械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 当沿光轴方向对石英晶体施加作用力Fz时 晶体表面没有电荷出现 压电效应的物理解释石英晶体SiO2 3个硅离子Si4 离子 6个氧离子O2 两两成对 微观分子结构为一个正六边形 垂直于X轴端面有无数个此分子结构 1 未受外力作用时 正 负离子正好分布在正六边形的顶角上 形成三个互成120 夹角的电偶极矩P1 P2 P3 如图a所示 P1 P2 P3 0 正负电荷中心重合 晶体垂直X轴表面不产生电荷 呈中性 2 受x轴方向的压力作用时 晶体沿x方向将产生压缩变形 正负离子的相对位置也随之变动 如图所示 此时正负电荷重心不再重合 电偶极矩在x方向上的分量 即 P1 P2 P3 0 在x轴方向出现电荷 在y轴和z轴方向上不出现电荷 3 受到沿y轴方向的压力作用时 晶体的变形如图所示 电偶极矩在x方向上的分量 即 P1 P2 P3 0 当晶体沿y方向受到作用力时 电荷将出现在x轴方向上 在y轴和z轴方向上不出现电荷 4 当晶体在z方向受到外力时 晶体在x轴和y轴方向上的变形相同 正负电荷中心重合 因此沿z轴方向施加外力时 压电晶体不产生压电效应 石英晶片受压力或拉力时 电荷的极性如下图所示 晶片受力方向与电荷极性的关系 当晶片受到x方向的压力作用时 qx只与作用力Fx成正比 而与晶片的几何尺寸无关 沿机械轴y方向向晶片施加压力时 产生的电荷是与几何尺寸有关的 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的 晶体在哪个方向上有正压电效应 则在此方向上一定存在逆压电效应 无论是正或逆压电效应 其作用力 或应变 与电荷 或电场强度 之间皆呈线性关系 压电陶瓷是人工多晶铁电体 原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性 在无外电场作用时 电畴在晶体中杂乱分布 它们各自的极化效应被相互抵消 压电陶瓷内极化强度为零 因此原始的压电陶瓷呈中性 不具有压电性质 a 极化前b 极化c 极化后 压电陶瓷的压电效应 由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0 即在陶瓷的一端出现正束缚电荷 另一端出现负束缚电荷 由于束缚电荷的作用 在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷 这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等 所以整体上表现为电中性 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F 如图 陶瓷片将产生压缩形变 片内的正 负束缚电荷之间的距离变小 极化强度也变小 因此 原来吸附在电极上的自由电荷 有一部分被释放 而出现放电荷现象 当压力撤消后 陶瓷片恢复原状 片内的正 负电荷之 间的距离变大 极化强度也变大 因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象 这种由机械能转变为电能的现象 就是正压电效应 同样 若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 如图 由于电场的方向与极化强度的方向相同 所以电场的作用使极化强度增大 这时 陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大 就是说 陶瓷片沿极化方向产生伸长形变 同理 如果外加电场的方向与极化方向相反 则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变 极化方向 电场方向 这种将电能转变为机械能的现象 就是逆压电效应 种类 压电单晶体 如石英等 压电陶瓷 如钛酸钡 锆钛酸铅等 压电半导体 如硫化锌 碲化镉等 对压电材料特性要求 转换性能 要求具有较大压电常数 机械性能 希望它的机械强度高 刚度大 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率 电性能 希望具有高电阻率和大介电常数 以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性 环境适应性强 温度和湿度稳定性要好 要求具有较高的居里点 获得较宽的工作温度范围 时间稳定性 要求压电性能不随时间变化 压电材料 一 等效电路 压电传感器在受外力作用时 在两个电极表面将要聚集电荷 且电荷量相等 极性相反 这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器 其电容量为式中 0为真空介电常数 为压电材料的相对介电常数 d为压电元件的厚度 A为压电元件极板面积 第二节等效电路和测量电路 因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源 如图a所示 也可以等效为一个电压源 如图b所示 a 电荷源b 电压源压电传感器的等效电路 压电传感器的完整等效电路 a 电压源 b 电荷源 压电传感器与测量仪表联接时 还必须考虑电缆电容CC 前置放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的绝缘电阻Ra 压电传感器完整的等效电路可表示成图所示 二 测量电路 压电传感器的内阻抗很高 而输出的信号微弱 因此一般不能直接显示和记录 压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗 这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大 压电传感器的前置放大器有两个用处 一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 二是把传感器的微弱信号进行放大 一 电压放大器 a b 压电传感器接电压放大器的等效电路 压电传感器接电压放大器的等效电路如图a所示 图b是简化后的等效电路 其中 Ui为放大器输入电压 C CC Ci Us Q Cs 如果压电传感器受力为F Fmsin t则在压电元件上产生的电压为 式中Um 压电元件输出电压幅值Um d Fm Csd 压电系数 而在放大器输入端形成的电压为 整理得 Ui的幅值Uim为 输入电压与作用力之间的相位差为 当作用于压电元件的力为静态力 0 时 前置放大器的输出电压等于零 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉 所以压电传感器不能用于静态力的测量 当 1时 放大器的输入电压为 由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关 当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时 Cc将改变 从而引起放大器的输出电压也发生变化 在设计时 通常把电缆长度定为一常数 使用时如要改变电缆长度 则必须重新校正电压灵敏度值 电压灵敏度 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器 根据理想运放的特征 二 电荷放大器 Cf Rf等效到输入端时 电容Cf将增大 1 A 倍 电导1 Rf也增大了 1 A 倍 将反馈电容和反馈电阻等效到输入端后 等效电路如图 其中 则电压 电压幅值 当 RC 1时 如果前置放大器的开环放大倍数A足够大 则 那么 经电荷放大器放大后的输出电压的幅值近似为 由式中可知 电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关 电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计 在实际应用中 由于单片的输出电荷很小 因此 组成压电式传感器的晶片不止一片 常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起 粘结的方法有两种 即并联和串联 三 压电传感器的级联方式 并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上 正电荷集中在两侧的电极上 传感器的电容量大 输出电荷量大 时间常数也大 故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号 串联方法正电荷集中于上极板 负电荷集中于下极板 传感器本身的电容量小 响应快 输出电压大 故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号 转动凸轮开关1 利用凸轮凸出部分推动冲击块3 并压缩冲击块后的弹簧2 当凸轮凸出部分脱离冲击块后 由于弹簧弹力作用 冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力 便在压电元件两端产生高压 并从中间电极5输出高压 产生电火花点燃气体 第三节压电传感器的应用 一 压电陶瓷点火器 二 PVDF压电传感器 用于检测婴儿呼吸暂停 婴儿呼吸时由于膈肌的运动 引起婴儿体重和重心的变化 而大面积传感器对这种重心的移动十分敏感 这样根据传感器的输出信号可以得到关于婴儿呼吸状况的重要信息 作业 P831