壓電式傳感器

1、壓電式傳感器壓電式傳感器壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)材料壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)材料( (如石英晶體如石英晶體) )具有壓電效應(yīng)現(xiàn)象制成的。具有壓電效應(yīng)現(xiàn)象制成的。有些電介質(zhì)材料在一定方向上受到外力有些電介質(zhì)材料在一定方向上受到外力( (壓力或拉力壓力或拉力) )作用而變形時，在其表面作用而變形時，在其表面上產(chǎn)生電荷從而可以實現(xiàn)對非電量的檢測。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、上產(chǎn)生電荷從而可以實現(xiàn)對非電量的檢測。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬等特點，適用于對各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動的測量，廣泛應(yīng)用在力頻帶寬等特點，適用于對各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動的測量，廣泛應(yīng)用在力學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)

2、學(xué)、宇航等方面。學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、宇航等方面。壓電式傳感器是一種無源傳感器，大多數(shù)是利用正向壓電效應(yīng)制成的。壓電式傳感器是一種無源傳感器，大多數(shù)是利用正向壓電效應(yīng)制成的。外力去掉后，又回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為正外力去掉后，又回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為正向壓電效應(yīng)，簡稱壓電效應(yīng)。當(dāng)然這種電介質(zhì)材料也具有逆壓電效應(yīng)，即在相向壓電效應(yīng)，簡稱壓電效應(yīng)。當(dāng)然這種電介質(zhì)材料也具有逆壓電效應(yīng)，即在相應(yīng)表面上施加電壓后，電介質(zhì)材料會發(fā)生機(jī)械變形；去掉電壓后，變形立即消應(yīng)表面上施加電壓后，電介質(zhì)材料會發(fā)生機(jī)械變形；去掉電壓后，變形立即消失，它將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。逆

3、壓電效應(yīng)也稱電致伸縮效應(yīng)。失，它將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。逆壓電效應(yīng)也稱電致伸縮效應(yīng)。壓電式傳感器只壓電式傳感器只能利用正向壓電效應(yīng)制成。能利用正向壓電效應(yīng)制成。1.1.原理原理順順壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)：一些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作用而變形時，內(nèi)部產(chǎn)生一些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作用而變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向

4、施加電場時，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場時，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力，這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象稱械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力，這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”, ,又稱為又稱為電致伸縮效電致伸縮效應(yīng)應(yīng)。F FF F極化面極化面Q Q壓電介質(zhì)壓電介質(zhì)機(jī)械能機(jī)械能電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性壓電效應(yīng)及可逆性正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力產(chǎn)生變形產(chǎn)生變形內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷外力去掉，回到不帶點的狀態(tài)外力去掉，回到

5、不帶點的狀態(tài)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)極化方向上施加交變電場極化方向上施加交變電場產(chǎn)生機(jī)械變形產(chǎn)生機(jī)械變形 去除外加電場，變形消失去除外加電場，變形消失2. 壓電材料壓電材料具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機(jī)具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機(jī)-電能量的相互轉(zhuǎn)換，電能量的相互轉(zhuǎn)換，具有一定的可逆性，如圖所示。具有一定的可逆性，如圖所示。壓電效應(yīng)的可逆性壓電效應(yīng)的可逆性壓電材料常用晶體材料，但自然界中多數(shù)晶體壓電效應(yīng)非常微弱，很難滿足壓電材料常用晶體材料，但自然界中多數(shù)晶體壓電效應(yīng)非常微弱，很難滿足實際檢測的需要，因而沒有實用價值。目前能夠廣泛使用的壓電材料只有石英實際檢測的

6、需要，因而沒有實用價值。目前能夠廣泛使用的壓電材料只有石英晶體和人工制造的晶體和人工制造的壓電陶瓷、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料，這些材料都具有良好壓電陶瓷、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料，這些材料都具有良好的壓電效應(yīng)。的壓電效應(yīng)。壓電材料可以分為三類：壓電材料可以分為三類：壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料壓電晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。天然晶體性能穩(wěn)定，機(jī)械性能也很好；人造晶體的靈敏度較高，所以它們各天然晶體性能穩(wěn)定，機(jī)械性能也很好；人造晶體的靈敏度較高，所以它們各在不同的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。在不同的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的壓電陶瓷是人工制造的多

7、晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，電疇在晶體中是雜亂分布的，各電疇的極化效應(yīng)相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極電疇，電疇在晶體中是雜亂分布的，各電疇的極化效應(yīng)相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)?；瘡?qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。當(dāng)在陶瓷上施加一定的外電場時當(dāng)在陶瓷上施加一定的外電場時(如如20kV/cm30kV/cm直流電場直流電場)，電疇的，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化，產(chǎn)生極極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化，產(chǎn)生極化后的壓電陶瓷才具有壓電效應(yīng)?；蟮膲弘娞沾?/p>

8、才具有壓電效應(yīng)。某些高分子材料如聚二氟乙烯某些高分子材料如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯和聚氯乙烯(PVC)等可以作為制作壓電等可以作為制作壓電元件的材料，這些材料不易破碎而且質(zhì)地柔軟，頻率響應(yīng)范圍寬、性能穩(wěn)定元件的材料，這些材料不易破碎而且質(zhì)地柔軟，頻率響應(yīng)范圍寬、性能穩(wěn)定。3.特特點點 力敏感傳感器，可測如力、壓力、加速度等力敏感傳感器，可測如力、壓力、加速度等 雙向有源傳感器（正向和逆向效應(yīng)）雙向有源傳感器（正向和逆向效應(yīng)） 體積小、重量輕體積小、重量輕 結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠 頻響寬頻響寬4.4.測測量電路量電路 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高, 而輸出能量較小, 因此它的

9、測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為: 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗; 二是放大傳感器輸出的微弱信號。 壓電傳感器的輸出可以是電壓信號, 也可以是電荷信號, 因此前置放大器也有兩種形式: 電壓放大器和電荷放大器。1) 電電壓放大器壓放大器KUaCaRaCeCiRiRa: 壓電元件漏電阻壓電元件漏電阻 Ce 連接電纜電容連接電纜電容Ri、 Ci 放大器輸入阻抗、電容放大器輸入阻抗、電容2) 電電荷放大器荷放大器KUscCfqa5.應(yīng)用應(yīng)用1）壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、電轉(zhuǎn)換的傳感器，在拉、壓

10、場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當(dāng)采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當(dāng)采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可測量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結(jié)構(gòu)上基測量準(zhǔn)靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結(jié)構(gòu)上基本一樣本一樣。如如圖所示是壓電式單向測圖所示是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，為了提力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，為了提高傳感器的靈敏度，我們往高傳感器的靈敏度，我們往往將兩片壓電晶體片對放。往將兩片壓電晶體

11、片對放。被測力作用在彈性頂蓋上，被測力作用在彈性頂蓋上，直接傳遞到壓電片上。壓直接傳遞到壓電片上。壓電電片受力變形產(chǎn)生電荷，由引片受力變形產(chǎn)生電荷，由引線輸出。所輸出的電荷大小反映了作用力的數(shù)值。線輸出。所輸出的電荷大小反映了作用力的數(shù)值。傳傳感器用于機(jī)床動態(tài)切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅?nèi)外底面感器用于機(jī)床動態(tài)切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位。基座內(nèi)外底面對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有對其中心線的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴(yán)格的要求，否則會使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破碎。為提極嚴(yán)格的要求，否則

12、會使橫向靈敏度增加或使片子因應(yīng)力集中而過早破碎。為提高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工高絕緣阻抗，傳感器裝配前要經(jīng)過多次凈化（包括超聲波清洗），然后在超凈工作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。作環(huán)境下進(jìn)行裝配，加蓋之后用電子束封焊。2）壓電式加速度傳感器）壓電式加速度傳感器如如圖圖所示為壓縮式壓電加所示為壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖，壓電元件一般由兩片壓電片壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個表面組成。在壓電片的兩個表面上鍍銀層，并在銀層上焊接上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個壓電片輸出引線，或在兩個壓電片之

13、間夾一片金屬，引線就焊之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個相連。在壓電片上放置一個比重較大的質(zhì)量塊，然后比重較大的質(zhì)量塊，然后用用一硬彈簧或螺栓、螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個組件裝在一個厚基座的金屬殼一硬彈簧或螺栓、螺帽對質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個組件裝在一個厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去，避免產(chǎn)生假信號輸出，所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造。所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來制造

14、。測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受到振動時，由測量時，將傳感器基座與試件剛性固定在一起。當(dāng)傳感器感受到振動時，由于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，于彈簧的剛度相當(dāng)大，而質(zhì)量塊的質(zhì)量相對較小，可以認(rèn)為質(zhì)量塊的慣性很小，因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力因此質(zhì)量塊感受到與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個表面上就產(chǎn)生了交變電荷（電壓），當(dāng)振動頻率具有壓電效應(yīng)，因此在它的兩個表面上就產(chǎn)生了交變電荷（電壓），當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器固有頻率時，傳感