車輛檢測(cè)技術(shù)——壓電式傳感器

1、第五章壓電式傳感器第一節(jié)壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器以某些電介質(zhì)（如石英晶體或壓電陶瓷、高分子材料）的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ) 而工作的。在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。因此是-種典型的自發(fā)電式傳感器。 壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等。壓電效應(yīng)壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。那么，什么是壓電效應(yīng)呢？由物 理學(xué)知，一些離子型晶體的電介質(zhì)（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等 ）不僅在電場(chǎng)力作用下，而且在機(jī)械力作用下，都會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。在這些電介質(zhì)的一定方向上施加機(jī)械力而產(chǎn)生變形時(shí)，就會(huì)引起它

2、內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電的極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面 （極化面）上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷Q dTQ （如圖5-1（a）所示），且Q與外應(yīng)力張量T成正比：(5-1)式中，d壓電常數(shù)正壓電效應(yīng);（b）壓電效應(yīng)的可逆性r正壓電效應(yīng)£機(jī)械能乜竝壓電介質(zhì)電能1逆壓電效應(yīng)r(a)(N圖5-1壓電效應(yīng)原理圖當(dāng)外力消失后，又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)， 或簡(jiǎn)稱壓電效應(yīng)。 如果在這些電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)， 這些電介質(zhì)就在一 定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力， 當(dāng)外電場(chǎng)撤去時(shí)， 這些變形或應(yīng)力也隨之消失， 這種現(xiàn) 象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮

3、效應(yīng)。其應(yīng)變 S 與外電場(chǎng)強(qiáng)度 E 成正比：S dt E5-2)式中dt逆壓電常數(shù)。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。 可見，具有壓電性的電介質(zhì)稱壓電材料） ，能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖 5-1（b） 所示。二 壓電材料目前壓電材料可分為三大類：第一類是壓電晶體（單晶） ，它包括壓電石英晶體和其他 壓電單晶； 第二類是壓電陶瓷（多晶半導(dǎo)瓷） ； 第三類是新型壓電材料，又可分為壓電半導(dǎo) 體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。 在傳感器技術(shù)中，目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的 石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇與鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷。壓電材料的主要特性參數(shù)有： 壓電常數(shù)：它是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，

4、直接關(guān)系到輸出靈敏度； 彈性常數(shù)：它與壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性有關(guān)； 介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有 電容又影響著壓電傳感器的頻率下限； 機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī) 械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)； 電阻：壓電材料的絕緣電阻將減小電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性； 居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性時(shí)的溫度稱為居里點(diǎn)。1壓電晶體（1）石英晶體（SiO2）石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。 它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。如圖5-2 （ a） 和（b）所示是天然石

5、英晶體的外形圖，它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有三個(gè)晶軸：Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致； X軸又稱電軸，它通過六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸；y軸又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。式中，Qxx為垂直于X軸平面上的電荷,Dxx為壓電系數(shù)，下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的圖5-2石英晶體通常把沿電軸（x軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；而把沿機(jī)械軸（y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”；在光軸（z軸）方向受力時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)?？v向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為:(5-3)QXXDXX FX軸向及施加作用力的軸向；Fx為沿晶軸X方向施加的壓力。由上式

6、看出，當(dāng)晶片受到X向的壓力作用時(shí)，Qxx與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。如果作用力Fx改為拉力時(shí)，則在垂直于 X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為:QxyDxy F y(5-4)式中，Qxy為Y軸向施加壓力，在垂直于 X軸平面上的電荷。Dxy為壓電系數(shù)，丫軸向施加壓力，在垂直于 X軸平面上產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電系數(shù)；Fy為沿晶軸Y方向施加的壓力。石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。為了較直觀的了解石英晶體的壓電效應(yīng)，將石英晶體的硅離子和氧離子排列在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影如圖 5-3所示。圖中是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z

7、軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成 120°夾角的電偶極矩 Pi、P2、P3。如圖5-3（ a）所示。(a)(b)(c)圖5-3石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖因?yàn)镻=qL, q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間距離。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩4 的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0,所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。注：圖中 代表Si2代表2O當(dāng)石英晶體受到沿 x軸方向的壓力作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖5-3（ b）所示，此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合，電偶極矩在x方

8、向上的分量由于 P1的減小和P2、P3的增加而不等于零，即（P1+P2+P3）x>0。在x軸的負(fù) 方向出現(xiàn)正電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)，晶體的變形如圖5-3 ( c)所示，與圖5-3 (b)情況相似，Pi增大，P2、P3減小。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為 x軸正向?yàn)檎姾?。?y 軸方向上不出現(xiàn)電荷。 如果沿z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形 變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力Fx、Fy的方向相反時(shí)，電荷的極性也隨之改變。壓電石英

9、的主要性能特點(diǎn)是：壓電常數(shù)小，時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好；機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好；居里點(diǎn)573C,無(wú)熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。( 2)其他壓電單晶在壓電單晶中除天然和人工石英晶體外， 鋰鹽類壓電和鐵電單晶如鈮酸鋰 (LiNbO 3)、鉭 酸鋰(LiTaO3)、鍺酸鋰LiGeO3)等材料，也已在傳感器技術(shù)中日益得到廣泛應(yīng)用，其中以鈮 酸鋰為典型代表。鈮酸鋰是一種無(wú)色或淺黃色透明鐵電晶體。從結(jié)構(gòu)看，它是一種多疇單晶。它必須通 過極化處理后才能成為單疇單晶， 從而呈現(xiàn)出類似單晶體的特點(diǎn)， 即機(jī)械性能各向異性。 它 的時(shí)間穩(wěn)定性好，居里點(diǎn)高達(dá)1200C，在高溫、強(qiáng)幅射條

10、件下，仍具有良好的壓電性，且機(jī)械性能，如機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。此外，它還具有良好的光 電、聲光效應(yīng)，因此在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地脆、抗 機(jī)械和熱沖擊性差。2 壓電陶瓷( 1)壓電陶瓷的極化處理壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，它是由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶組成；所謂“鐵電體” ，它具有類似鐵磁材料磁疇的“電疇”結(jié)構(gòu)。每個(gè)單晶形成一單 個(gè)電疇，無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)規(guī)則排列， 致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性 (如 圖 5-4 所示 )。要使之具有壓電性，必須作極化處理，即在一定溫度下對(duì)其施加強(qiáng)直流電場(chǎng)， 迫使“電疇”趨

11、向外電場(chǎng)方向作規(guī)則排列(如圖5-4(中)；極化電場(chǎng)去除后，趨向電疇基本5-4（右）。Ifll化極加忙洗電場(chǎng)保持不變，形成很強(qiáng)的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性（如圖圖5-4 BaTiO3壓電陶瓷的極化（2）常用的壓電陶瓷傳感器技術(shù)中應(yīng)用的壓電陶瓷，按其組成基本元素多少可分為： 二元系壓電陶瓷主要包括鈦酸鋇 BaTiO3，鈦酸鉛 PbTiO3，鋯鈦酸鉛系列PbTiO3-PbZrO3（PZT）和鈮酸鹽系列 KNbO 3-PbNb2O3。其中以鈦酸鋇，尤其以鋯鈦酸鉛系列壓 電陶瓷應(yīng)用最廣。 三元系壓電陶瓷目前應(yīng)用的PMN，它由鈮鎂酸鉛Pb（Mg i/3Nb2/3）O3、鈦酸鉛PbTiO3、鋯鈦酸鉛PbZr

12、O3三成分配比而成。另外還有專門制造耐高溫、高壓和電擊穿性能的鈮錳酸鉛系、鎂碲酸鉛等。 綜合性能更為優(yōu)越的四元系壓電陶瓷也已經(jīng)研制成功。壓電陶瓷的特點(diǎn)是：壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟，可通過合理配方和摻雜等人工控制來達(dá)到所要求的性能；成形工藝性也好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用。隨著信息產(chǎn) 業(yè)的飛速發(fā)展，壓電陶瓷頻率器件（濾波器、諧振器、陷波器、鑒頻器等）已在音視頻、通 訊、電腦周邊等領(lǐng)域大量應(yīng)用。在日常生活中，如香煙、煤氣灶、熱水器的點(diǎn)火要用到壓電點(diǎn)火器。3新型壓電材料（1）壓電半導(dǎo)體硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（CeTe）、氧化鋅（ZnO）、硫化鎘（CdS）等，這些材料顯著的特點(diǎn)是： 既具有壓

13、電特性又具有半導(dǎo)體特性。 因此既可用其壓電性研制傳感器， 又可用其半導(dǎo)體特性 制作電子器件； 也可以兩者合一， 集元件與線路于一體， 研制成新型集成壓電傳感器測(cè)試系 統(tǒng)。（ 2） 有機(jī)高分子壓電材料 某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性的高分子壓電薄膜，如聚氟乙烯（PVF）等。另外，還有高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜。第二節(jié) 壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)凡是能轉(zhuǎn)換成力的機(jī)械量如位移、壓力、沖擊、振動(dòng)加速度等，都可用相應(yīng)的壓電傳感器測(cè)量，它們用以實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換功能的基本結(jié)構(gòu)是共同的。一 壓電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)壓電式傳感器的基本結(jié)構(gòu)如下：1 基座和

14、外殼 為隔離試件應(yīng)變和環(huán)境聲、磁、 熱干擾， 并增強(qiáng)剛性，基座通常都很厚，并采用剛度大的不銹鋼或鈦合金材料；殼體取用與基座相同的材料，起密封、屏蔽作用。2 壓電元件 根據(jù)設(shè)計(jì)需要， 可取壓電晶體或陶瓷。 結(jié)構(gòu)形式較多采用雙晶片并聯(lián)形式。壓電加速度傳感器中常采用平板式或圓筒式結(jié)構(gòu)，取厚度壓縮或剪切變形方式。3 敏感元件 指加速度傳感器中的 m-k-c 系統(tǒng)，位移傳感器中的彈簧，或壓力傳感器中的彈性膜片 （盒）等。 m-k-c 系統(tǒng)中質(zhì)量塊通常采用高比重合金，以利縮小結(jié)構(gòu)和尺寸。4 預(yù)載件 即壓塊、彈簧或螺栓螺母等，用以對(duì)壓電元件施加預(yù)緊力。加預(yù)緊力的作用 是：消除壓電元件內(nèi)外接觸面的間隙， 提高傳感器彈性系統(tǒng)的剛度， 從而獲得良好的靜態(tài) （靈 敏度和線性 ）、動(dòng)態(tài)特性；足夠的預(yù)緊力，才能確保拉