第8章壓電式傳感器課件

1、第第8 8章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 8.1 8.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)8.2 8.2 壓電材料壓電材料8.3 8.3 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路8.4 8.4 壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式傳感器應(yīng)用舉例 壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，屬于一種發(fā)電式傳感器，壓電效應(yīng)是可逆的，壓為基礎(chǔ)，屬于一種發(fā)電式傳感器，壓電效應(yīng)是可逆的，壓電式傳感器是一種典型的電式傳感器是一種典型的“雙向傳感器雙向傳感器”。 壓電轉(zhuǎn)換元件壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的力敏元件，可測量是一種典型的力敏元件，可測量壓力、壓力、加速度、機(jī)械沖擊、振動(dòng)加速度

2、、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等，廣泛應(yīng)用于等，廣泛應(yīng)用于聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)和宇航領(lǐng)域?qū)W和宇航領(lǐng)域，利用正壓電效應(yīng)可以制成壓電電源和電壓，利用正壓電效應(yīng)可以制成壓電電源和電壓發(fā)生器；利用逆壓電效應(yīng)可制成超聲發(fā)生器和電聲器件。發(fā)生器；利用逆壓電效應(yīng)可制成超聲發(fā)生器和電聲器件。 壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點(diǎn)是無靜態(tài)輸出，阻抗高，需壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點(diǎn)是無靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有要低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有250250左右。左右。8.1 8.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 對某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表

3、面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)為不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。 反之，在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場（加電壓） ，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場后，該物質(zhì)的變形隨之消失，把這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。 壓電效應(yīng)動(dòng)畫演示壓電效應(yīng)動(dòng)畫演示 具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料。 在自然界中，大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，然而大多數(shù)晶體的壓電效應(yīng)都十分微弱。 石英晶體及鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等人造壓電陶瓷是性能優(yōu)良的壓電材料。 l 壓

4、電晶體（單晶）：包括壓電石英晶體和其它壓電單晶；l 壓電陶瓷（多晶體）：也稱多晶半導(dǎo)瓷，為極化處理的多晶體； 石英晶體：俗稱水晶，化學(xué)成分為SiO2，有天然和人工之分。 目前傳感器中使用的均是以居里點(diǎn)為573、晶體結(jié)構(gòu)為六角晶系的石英。 石英晶體的外形（a） 天然石英晶體；（b） 人工石英晶體；（c） 右旋石英晶體的理想外形m柱面 R大棱面 r小棱面 s棱界面 x棱角面8.1.1 8.1.1 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng) v 光軸： z 軸是晶體的對稱軸，此軸可用光學(xué)方法確定，光線沿 z 軸通過晶體，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而以它作為基準(zhǔn)軸，故稱為光軸（中性軸）；v 電軸： 經(jīng)過六棱柱棱線

5、垂直于光軸 z 的 x 軸，此軸上的壓電效應(yīng)最強(qiáng)，故稱為電軸，共有三個(gè)；v 機(jī)械軸： 垂直于光軸 z 和電軸 x 的 y 軸，在電場作用下沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯，故稱為機(jī)械軸（力軸），共有三個(gè)。v 當(dāng)在電軸 x 方向施加作用力Fx時(shí)，在與電軸（x）垂直的平面上將產(chǎn)生電荷 qx ，其大小為 xxfdq11 d11 x 軸方向受力的壓電系數(shù)； （d11 =2.3110-12C/N，對右旋石英晶體，受壓時(shí)取+，受拉時(shí)取-）v 若在同一切片上，沿機(jī)械軸y 方向施加作用力fy ，則仍在與x 軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷qy： yyyfhldfhldq1112 d12y 軸方向受力的壓電系數(shù)，因石英軸對稱

6、，所以d12 =d11； l，h晶體片的長度和厚度。 電荷qx 和qy 的符號(hào)由受壓力還是拉力決定。 qx 的大小與晶體片幾何尺寸無關(guān)，而qy 則 與晶體片幾何尺寸有關(guān)。 當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)（不產(chǎn)生形變），帶有4個(gè)正電荷的硅離子和帶有22個(gè)負(fù)電荷的氧離子在 xy 平面上的投影正好分布在正六邊形的頂角上，形成3個(gè)大小相等，互成120夾角的電偶極矩P P1、P P2和P P3（矢量）。P Pql l，q為電荷量，l 為正、負(fù)電荷之間距離。方向從負(fù)電荷指向正電荷。此時(shí)，正、負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P P1P P2P P3=0，電荷平衡，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。 v

7、當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí)（厚度變形），將產(chǎn)生如圖b所示壓縮變形，正、負(fù)離子的相時(shí)位置隨之變動(dòng)，正、負(fù)電荷中心不再重合。硅離子（1）被擠入氧離子（2）和（6）之間，氧離子（4）被擠入硅離子（3）和（5）之間，電偶極矩在 x 軸方向的分量（P1P2P3）x 0，（P1P2P3）y= 0，（P1P2P3）z= 0，結(jié)果在x軸負(fù)向呈負(fù)電荷，在x 軸正向呈正電荷； 如果在 x 軸方向施加拉力（長度變形），如圖c所示。結(jié)果與之相反，在x 軸正向呈負(fù)電荷，在x 軸負(fù)向呈正電荷。 這種沿x軸施加力，而在垂直于x軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“縱向壓電效應(yīng)”。v 當(dāng)石英晶體受到沿 y 軸方向的壓力作用

8、時(shí)（長度變形），晶體產(chǎn)生如圖c所示變形。電偶極矩在x軸方向的分量（P1P2P3）x3時(shí)就可時(shí)就可 以以 認(rèn)為認(rèn)為 Uim與與 無關(guān)。無關(guān)。 icamimCCCdFU)( 結(jié)論：結(jié)論：2.電荷放大器 電荷放大器是一個(gè)有反饋電容Cf 的高增益運(yùn)算放大器。當(dāng)略去Ra 和Ri 并聯(lián)等效電阻R后，壓電傳感器常使用的電荷放大器可用如圖所示的等效電路表示。圖A為運(yùn)算放大器的開環(huán)增益。由于運(yùn)算放大器具有極高的輸入阻抗，因此放大器的輸入端幾乎沒有分流，電荷Q只對反饋電容Cf 充電，充電電壓接近放大器的輸出電壓，即 fCfCqUUo式中 Uo 放大器輸出電壓； UCf 反饋電容兩端的電壓n輸出電壓與電纜電容Cc無

9、關(guān)（反饋電容Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好）n與q成正比n這些優(yōu)點(diǎn)使得壓電傳感器基本上都用電荷放大器作為轉(zhuǎn)換電路。 AuoCiqCaCeCr優(yōu)點(diǎn)：壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)和可逆兩種重要性能，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高，特別適合于動(dòng)態(tài)測量。缺點(diǎn)：無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗，需用低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度在250 左右。 廣義地講，凡是利用壓電材料各種物理效應(yīng)構(gòu)成的各種傳感器，都可稱為壓電式傳感器，它們已被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、軍事和民用等領(lǐng)域。 8.4 8.4 壓電式傳感器應(yīng)用舉例壓電式傳感器應(yīng)用舉例 1 1. .壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感

10、器 2 2. .壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 3 3. .用壓電式傳感器測表面粗糙程度用壓電式傳感器測表面粗糙程度4 4. .壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器 5 5. .壓電式煤氣灶電子點(diǎn)火裝置壓電式煤氣灶電子點(diǎn)火裝置 6 6. .微重力壓電晶體生物傳感器微重力壓電晶體生物傳感器 7 7. .壓電血壓傳感器壓電血壓傳感器 8 8. .醫(yī)用電子鼻醫(yī)用電子鼻 利用正壓電效應(yīng)可研制成壓電電源（煤氣灶和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的自動(dòng)點(diǎn)火裝置等多種電壓發(fā)生器）；在測試技術(shù)中，壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的力敏元件，能測量最終可變換為力的有關(guān)物理量，例如壓力、位移、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等，因此在聲學(xué)、力學(xué)

11、、醫(yī)學(xué)和宇航等廣闊領(lǐng)域中都可見到壓電式傳感器的應(yīng)用。 利用逆壓電效應(yīng)可制成多種超聲波發(fā)生器和壓電揚(yáng)聲器等。 利用正、逆壓電效應(yīng)可制成壓電陀螺、壓電線性加速度計(jì)、壓電變壓器、聲納和壓電聲表面波器件等。 壓電式測力傳感器在直接測量拉力或壓力時(shí)，通常多采用雙片或多片石英晶體作壓電元件。按測力狀態(tài)分為單向力、雙向力和三向力傳感器。 1 1壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 壓力傳感器圖片壓力傳感器圖片 單向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。壓電元件采用xy（即0X）切型石英晶片，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。它用兩塊晶片（81mm）作傳感元件，被測力通過傳力上蓋（1）使石英晶片（2）沿電軸方

12、向受壓力作用，由于縱向壓電效應(yīng)使石英晶片在電軸方向上出現(xiàn)電荷，兩塊晶片沿電軸方向并聯(lián)疊加，負(fù)電荷由片形電極（3）輸出，壓電晶片正電荷一側(cè)與底座連接。兩片并聯(lián)可提高其靈敏度。壓力元件彈性變形部分的厚度較薄，其厚度由測力大小決定。這種結(jié)構(gòu)的單向力傳感器體積小、重量輕（僅10g），固有頻率高（約5060kHz），可檢測高達(dá)5000N的動(dòng)態(tài)力，分辨率為10-3 N。 1). 單向力傳感器單向力傳感器 1 傳力上蓋2 石英晶片3 電極4 底座5 電極引出插頭 6 絕緣材料雙向力傳感器雙向力傳感器 雙向力傳感器基本用于測量垂直分力Fz 與切向分力Fx 或Fy，以及測量互相垂直的兩個(gè)切向分力，即Fx和Fy

13、。無論哪一種測量，傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似。圖（a）為雙向壓電石英晶片的力傳感器的結(jié)構(gòu)。兩組石英晶片分別測量兩個(gè)分力，下面一組采（a）雙向力石英傳感器 （b）厚度剪切的yx（ 0 Y ）切型 用xy（0X）切型，通過 d11 實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換，測量軸向力Fz ；上面一組采用 yx（0Y）切型，晶片的厚度方向?yàn)閥 軸方向，在平行于x 軸的剪切應(yīng)力6（在 xy 平面內(nèi)）的作用下，產(chǎn)生厚度剪切變形。所謂厚度剪切變形是指晶體受剪切應(yīng)力的面與產(chǎn)生電荷的面不共面，如圖（b）所示。這一組石英晶體通過 d26 實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換來測量Fy 。三向力傳感器三向力傳感器 （a）結(jié)構(gòu) （b）壓電組件 （c） x，y，z雙晶片 壓

14、電組件為三組雙晶片石英疊成并聯(lián)方式。它可以測量空間任一個(gè)或三個(gè)方向的力。三組石英晶片的輸出極性相同。其中一組取xy（0X）切型晶片，利用厚度壓縮縱向壓電效應(yīng) d11 來實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換，測量主軸切削力Fz ；另外兩組采用厚度剪切變形的yx（0Y）切型晶片，利用剪切壓電系數(shù) d26 來分別測量 Fy 和 Fx 。由于 Fy 和 Fx 正交，因此，這兩組晶片安裝時(shí)應(yīng)使其最大靈敏軸分別取向 x 和 y 方向。 2 2）壓電式壓力傳感器測量沖床壓力）壓電式壓力傳感器測量沖床壓力 3 3）壓電式壓力傳感器測量金屬加工）壓電式壓力傳感器測量金屬加工 切削力切削力 圖8.11 沖床壓力檢測圖8.10 2壓電式刀

15、具切削力測量示意圖 2.壓電式加速度傳感器 用于測量加速度的傳感器種類很多，壓電式加速度傳感器是一種最常用的加速度計(jì)（80以上）。具有一系列優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，堅(jiān)實(shí)牢固，有較好的頻率響應(yīng)（幾千赫幾十千赫），如果配以電荷放大器，低頻響應(yīng)也很好（可低至零點(diǎn)幾赫），測量范圍大（加速度為10-510-4 g，g 為重力加速度 9.8ms2）等。加速度傳感器圖片 因?yàn)?F = ma （m 為重塊質(zhì)量，a 為加速度），當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，所以傳感器輸出電荷為 madFdQijij Q 與加速度 a 成正比。 因?yàn)?，壓電傳感器的輸出電壓?，若傳感器中電容量 C 不變，那么 ，因此，可以用電壓值表示

16、測量的加速度。 CQU CmadUij 壓電元件（一般由兩片壓電晶片并聯(lián)）置于基座上，其上面加一塊比重較大的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊上用彈簧壓緊，從而對壓電晶片施加預(yù)應(yīng)力。 測量加速度時(shí)，被測物件與傳感器剛性固定在一起，質(zhì)量塊也受加速度的作用產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的慣性力 F 作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷Q。3 3用壓電式傳感器測表面粗糙程度用壓電式傳感器測表面粗糙程度圖8.14 表面粗糙度測量 4 4壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器 圖8.14 壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路框圖 圖8.13 BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器 5 5壓電式煤氣灶電子點(diǎn)火裝置壓電式煤氣灶電子點(diǎn)火裝置 圖8.15 壓電式

17、煤氣灶點(diǎn)火裝置 小 結(jié) 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生相反的電荷；當(dāng)外力去生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，電介質(zhì)又重新恢復(fù)為不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，掉后，電介質(zhì)又重新恢復(fù)為不帶電狀態(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，這種現(xiàn)象被稱為成正比，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 壓電傳感器壓電傳感器是一種電能量型傳感器，它的工作原理是基于是一種電能量型傳感器，它的工作原理是基于某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)。某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)。 壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)卻很微弱，因此壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)卻很微弱，因此其一般不能直接顯示和記錄。所以，壓電傳感器要求其一般不能直接顯示和記錄。所以，壓電傳感器要求測量電路測量電路的的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，以防