Ch6壓電式傳感器

1、CH6 壓電式傳感器原理:基于壓電材料的壓電效應(yīng)。應(yīng)用：測(cè)量加速度、壓力、位移、溫度、濕度等。6.1 壓電效應(yīng) 1、正壓電效應(yīng)某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。2、逆壓電效應(yīng)如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。 3、壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的幾種形式（圖6-1）4、幾種常用壓電材料的壓電效應(yīng)(1) 石英晶體(2) 壓電陶瓷(3)

2、高分子材料5、壓電方程與壓電常數(shù)壓電元件受到力作用時(shí)，就在相應(yīng)的表面產(chǎn)生表面電荷，力與電荷存在如下關(guān)系： （為壓電系數(shù)）壓電系數(shù)對(duì)于一定的施力方向和一定的產(chǎn)生電荷的表面是一個(gè)常數(shù)，但上式僅能用于一定尺寸的壓電元件，沒有普遍意義。為使用方便，常采用下面的公式。式中 電荷的表面密度，單位為（）； 單位面積上的作用力，單位為（）； 壓電常數(shù)，單位為（）。(1) 壓電常數(shù) ：在“短路條件”下,單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度。“短路條件”是指壓電元件的表面電荷從一開始發(fā)生就被引開。 壓電常數(shù)：表示在不計(jì)“二次效應(yīng)”的條件下，每單位應(yīng)力在晶體內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度，因此有時(shí)也稱為壓電電壓常數(shù)。 壓電常數(shù)：表示在不計(jì)

3、“二次效應(yīng)”的條件下，每單位機(jī)械應(yīng)變?cè)诰w內(nèi)部產(chǎn)生的電勢(shì)梯度。 機(jī)電耦合系數(shù)：表示晶體中存儲(chǔ)的電能對(duì)晶體所吸收的機(jī)械能之比的平方根?；蛘叻催^來，表示晶體中存儲(chǔ)的機(jī)械能對(duì)晶體所吸收的電能之比的平方根。 或 機(jī)電耦合系數(shù)在數(shù)值上等于壓電常數(shù)和壓電常數(shù)乘積的平方根。6.2 壓電材料1. 壓電材料的幾個(gè)性能 選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面： 轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并

4、獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望得到寬的工作溫度范圍；時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。2常用的壓電材料石英晶體、鈦酸鋇陶瓷、鋯酸鉛系壓電陶瓷（PZT）、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN）等。6.3 等效電路壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為： 式中 極板面積； 壓電材料相對(duì)介電常數(shù)； 真空介電常數(shù)； 壓電元件厚度。 當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大)U為： 這樣，

5、可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca的等效電路，如圖6-2(a)中的虛線方框；同時(shí)也等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路，如圖6-2的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。6.4 測(cè)量電路 根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測(cè)量電路的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。1、電壓放大器 電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器。 2、電荷放大器 由于電壓放大器

6、使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測(cè)量的電荷放大器，目前它已被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器。6.5 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電元件是一種典型的力敏感元件。可用來測(cè)量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。1、壓電式測(cè)力傳感器 圖6-13 壓電式單向測(cè)力傳感器 圖6-14 壓電式壓力傳感器圖6-15 消除振動(dòng)加速度影響的壓電式壓力傳感器結(jié)構(gòu)2、壓電式加速度傳感器 圖6-16 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖3、壓電式玻璃破碎報(bào)警器6.6影響壓電式傳感器精度的因素分析1、非線性 壓電傳感器的幅值線性度是指被

7、測(cè)物理量(如力、壓力、加速度等)的增加，其靈敏度的變化程度。2、橫向靈敏度壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動(dòng)時(shí)的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示，稱為橫向靈敏度比。3、環(huán)境溫度的影響 環(huán)境溫度的變化對(duì)壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化，壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當(dāng)溫度低于400時(shí)，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。4、濕度的影響 環(huán)境濕度對(duì)壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會(huì)減小，低頻響應(yīng)變壞。5、電纜噪聲 為了減小這種噪聲?？墒褂锰刂频牡驮肼曤娎|，同時(shí)將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。6、接地回路噪聲 在測(cè)試系統(tǒng)中接有多種測(cè)量儀器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地