傳感檢測技術(shù)及其應(yīng)用 第7章

1、2022年3月25日2022年3月25日21.1.掌握壓電式傳感器的工作原理；掌握壓電式傳感器的工作原理；2.2.了解壓電式傳感器的等效電路；了解壓電式傳感器的等效電路；3.3.了解壓電式傳感器的測量電路；了解壓電式傳感器的測量電路；4.4.理解理解壓電式傳感器的應(yīng)用。壓電式傳感器的應(yīng)用。 壓電式傳感器是一種可逆型換能器，它既壓電式傳感器是一種可逆型換能器，它既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓為機(jī)械能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。電效應(yīng)。 2022年3月25日3第第1 1節(jié)節(jié) 壓電效應(yīng)及壓電材料壓

2、電效應(yīng)及壓電材料 壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，又能將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，又能將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。 某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，而且內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電場；去掉外力后又重新回到不帶電的平形成電場；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。 一、一、壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)2022年3月25日4 與壓

3、電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的晶體與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的晶體置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外力作用導(dǎo)致物體機(jī)械變形現(xiàn)象稱為力作用導(dǎo)致物體機(jī)械變形現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。 二、壓電材料 具有壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為具有壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料壓電材料。壓電材料應(yīng)具有大的壓電系數(shù)；機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大壓電材料應(yīng)具有大的壓電系數(shù)；機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大；高電阻率和介電系數(shù)；穩(wěn)定性好。；高電阻率和介電系數(shù)；穩(wěn)定性好。 膠和壓電塑料膠和壓電塑料有機(jī)壓電材料壓電橡有機(jī)壓電材料壓電橡壓電多晶壓電陶瓷壓電多晶壓電陶瓷其它壓電單

4、晶體其它壓電單晶體石英晶體石英晶體壓電單晶壓電單晶壓電材料壓電材料 2022年3月25日5光軸光軸：z z軸，與晶體縱軸方向軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿一致。光線沿z z軸方向通過晶軸方向通過晶體不發(fā)生雙折射。沿光軸的體不發(fā)生雙折射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，故作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，故又稱為又稱為中性軸中性軸。電軸電軸：x x軸，通過兩個相對的軸，通過兩個相對的六角棱線并垂直于光軸的軸六角棱線并垂直于光軸的軸線。垂直于此軸的晶面上有線。垂直于此軸的晶面上有最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。1.1.石英晶體石英晶體：中間為六角形棱柱，兩端為對稱的棱中間為六角形棱柱，兩端為對稱的棱錐，共錐，共

5、3030個晶面。個晶面。 2022年3月25日6機(jī)械軸機(jī)械軸：y y軸，垂直于軸，垂直于x x軸和軸和z z軸所在平面的軸線。軸所在平面的軸線。在電場作用下，在電場作用下，y y軸具有最明顯的機(jī)械變形。石英軸具有最明顯的機(jī)械變形。石英晶體晶體z z軸僅一個，軸僅一個，x x軸和軸和y y軸各有軸各有3 3個。個。縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)：沿沿x x軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電荷出現(xiàn)在與生電荷的現(xiàn)象。電荷出現(xiàn)在與x x軸相垂直的表面軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為：上。產(chǎn)生的電荷量為： Q Qx x= =d dx x F Fx x 式中式中 d dx x縱向壓

6、電常數(shù)；縱向壓電常數(shù)； F Fx x作用力。作用力。 2022年3月25日72022年3月25日8橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)：沿沿y y軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電荷仍出現(xiàn)在與荷的現(xiàn)象。電荷仍出現(xiàn)在與x x軸相垂直的表面上。產(chǎn)軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為生的電荷量為abFdssFdQyyyxyyy 式中式中d dy y橫向壓電常數(shù)；橫向壓電常數(shù)；F Fy y作用力；作用力； s sx x、s sy y 分別為與分別為與x x軸、軸、y y軸相垂直的表面面積；軸相垂直的表面面積；a a x x軸向厚度；軸向厚度；b b y y軸向長度。軸向長度。 由于力

7、所施加的表面與感生電荷的表面不同，電荷由于力所施加的表面與感生電荷的表面不同，電荷量與晶體尺寸有關(guān)。量與晶體尺寸有關(guān)。2022年3月25日9yxyFabdQ 根據(jù)石英晶體軸對稱的條件，根據(jù)石英晶體軸對稱的條件，d dy y= = d dx x，從而：，從而：即橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的即橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷極性相反。電荷極性相反。切向壓電效應(yīng)切向壓電效應(yīng)：沿：沿x x軸或軸或y y軸施加剪切力，晶體表面軸施加剪切力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。沿產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。沿x x軸的剪切力產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在軸的剪切力產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在與與y y軸垂直的表面上（電荷量與剪

8、切力成正比，與晶軸垂直的表面上（電荷量與剪切力成正比，與晶片尺寸無關(guān)）；沿片尺寸無關(guān)）；沿y y軸的剪切力產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在與軸的剪切力產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在與x x軸垂直的表面上。軸垂直的表面上。 2022年3月25日10 天然或人工合成石英晶體（天然或人工合成石英晶體（S Si iO O2 2），具有良好），具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和壓電效應(yīng)。壓電系數(shù)較小（的機(jī)械強(qiáng)度和壓電效應(yīng)。壓電系數(shù)較小（d dx x =2.3=2.3 1010-12-12C/NC/N），但壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。在），但壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。在2020200200 C C內(nèi)，溫度每升高內(nèi)，溫度每升高1 1 C C，壓電系數(shù)僅減小

9、，壓電系數(shù)僅減小0.016%0.016%，升高到，升高到200200 C C 時，僅減小時，僅減小5%5%，達(dá)到，達(dá)到573573 C C 時，失去壓電特性，此溫度稱為石英的居里點(diǎn)。介時，失去壓電特性，此溫度稱為石英的居里點(diǎn)。介電常數(shù)為電常數(shù)為4.54.5。 2022年3月25日11 其它壓電晶體有鈮酸鋰（其它壓電晶體有鈮酸鋰（L Li iN Nb bO O3 3），居里點(diǎn)），居里點(diǎn)12101210 C C，具有良好的壓電性，適用于高溫環(huán)境，但比石英脆，具有良好的壓電性，適用于高溫環(huán)境，但比石英脆，抗沖擊性差?？箾_擊性差。 鉭酸鋰（鉭酸鋰（L Li iT Ta aO3O3），居里點(diǎn)），居里點(diǎn)6

10、66666 C C，壓電常數(shù)為石，壓電常數(shù)為石英的英的3 3倍。倍。 酒石酸鉀鈉（酒石酸鉀鈉（N Na aKCKC4 4H H4 4O O6 6 4H4H2 2O O），壓電系數(shù)較大），壓電系數(shù)較大（d dx x=3=3 1010-9-9 C/N C/N ），但機(jī)械強(qiáng)度低，機(jī)械強(qiáng)度、電），但機(jī)械強(qiáng)度低，機(jī)械強(qiáng)度、電阻率、居里點(diǎn)均較低，易受潮，性能不穩(wěn)定。阻率、居里點(diǎn)均較低，易受潮，性能不穩(wěn)定。 2022年3月25日122.2.多晶壓電陶瓷多晶壓電陶瓷 （壓電陶瓷）（壓電陶瓷） 由多種材料經(jīng)燒結(jié)合成，制作方便，成本低。由多種材料經(jīng)燒結(jié)合成，制作方便，成本低。原始壓電陶瓷須經(jīng)強(qiáng)電場極化處理后才具有

11、壓電性。原始壓電陶瓷須經(jīng)強(qiáng)電場極化處理后才具有壓電性。壓電陶瓷的壓電常數(shù)一般比石英高數(shù)百倍。現(xiàn)代壓壓電陶瓷的壓電常數(shù)一般比石英高數(shù)百倍?，F(xiàn)代壓電元件，大多采用壓電陶瓷。電元件，大多采用壓電陶瓷。 鈦酸鋇（鈦酸鋇（B Ba aT Ti iO O3 3） 由碳酸鋇由碳酸鋇B Ba aCOCO3 3和二氧化鈦和二氧化鈦T Ti iO O2 2 按按1 1 ：1 1摩爾比摩爾比混合混合燒結(jié)而成。壓電常數(shù)約為石英的燒結(jié)而成。壓電常數(shù)約為石英的5050倍，介電常數(shù)高倍，介電常數(shù)高(1200)(1200)，居里點(diǎn)約，居里點(diǎn)約120120 C C。 2022年3月25日13鋯鈦酸鉛（鋯鈦酸鉛（PZTPZT）系

12、列壓電陶瓷）系列壓電陶瓷 居里點(diǎn)居里點(diǎn)300300 C C左右，壓電常數(shù)左右，壓電常數(shù)7070800800 1010-12-12C/NC/N，性，性能和穩(wěn)定性均超過鈦酸鋇。其中有些產(chǎn)品可耐高溫、能和穩(wěn)定性均超過鈦酸鋇。其中有些產(chǎn)品可耐高溫、高壓。高壓。 3.3.高分子有機(jī)壓電材料高分子有機(jī)壓電材料 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVFPVF2 2）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVFPVF）、聚氯乙）、聚氯乙烯（烯（PVCPVC）、聚偏二氟乙烯（）、聚偏二氟乙烯（PVDFPVDF）等。易于大量）等。易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣列器件。生產(chǎn)、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣列器件。用于微壓和

13、機(jī)器人觸覺。用于微壓和機(jī)器人觸覺。 4.4.壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體 具有壓電和半導(dǎo)體兩種特性，易于集成。具有壓電和半導(dǎo)體兩種特性，易于集成。 2022年3月25日142022年3月25日152022年3月25日16第第2 2節(jié)節(jié) 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 金屬膜FF a a) ) 壓電晶片壓電晶片b b) ) 等效電荷源等效電荷源c c) ) 等效電壓源等效電壓源Ca Ra QCa Ra ua 壓電器件相當(dāng)于具有一定電容的壓電器件相當(dāng)于具有一定電容的電荷源，其電荷和電容為：電荷源，其電荷和電容為：電容兩極板間開路電壓為：電容兩極板間開路電壓為：dACa0 dFQ aaCQU

14、aaaaaaaCRjQjCRjUCjI 1 1等效電路中電流等效電路中電流一、一、壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路2022年3月25日17若考慮負(fù)載（測量電路），等效電路如下：若考慮負(fù)載（測量電路），等效電路如下：a a) ) 電荷源等效電路電荷源等效電路Ca Ra QCc Ri Ci b b) ) 電壓源等效電路電壓源等效電路Ca Ra ua Cc Ri Ci 其中其中，Ra、Ca壓電元件的電阻和電容；壓電元件的電阻和電容；Cc為電為電纜纜寄生電容；寄生電容；Ci為后續(xù)測量電路的輸入電容。為后續(xù)測量電路的輸入電容。2022年3月25日18二、二、壓電元件放大電路壓電元件放大電路 壓電元件

15、內(nèi)阻高，電荷信號微弱。因此要前置壓電元件內(nèi)阻高，電荷信號微弱。因此要前置放大器。前置放大器要具備如下兩個特點(diǎn)：放大器。前置放大器要具備如下兩個特點(diǎn)：（1）將壓電元件的高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出，）將壓電元件的高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出，使之能用一般方法進(jìn)行信號處理；使之能用一般方法進(jìn)行信號處理；（2）同時對弱信號進(jìn)行放大，使之具有負(fù)載驅(qū)動能）同時對弱信號進(jìn)行放大，使之具有負(fù)載驅(qū)動能力力 。 前置放大器的種類有電壓放大器和電荷放大器。前置放大器的種類有電壓放大器和電荷放大器。2022年3月25日19Ca Ra 電壓放大電路ua Cc Ri Ci -Aui uo 1.1.電壓放大器電壓放大器 在壓

16、電元件在壓電元件等效電路中等效電路中，Ca和和Cc、Ci相比很小。相比很小。而而Rc和和Ra、Ri相比很大，在并聯(lián)電路中可以忽略，等相比很大，在并聯(lián)電路中可以忽略，等效電阻和電容分別為：效電阻和電容分別為：icaCCCC 其中其中)(1 1)(1)(11icaicicaCCRjCjRCjCCjRCCjRCjZ 總阻抗為總阻抗為aiaiRRRRR 當(dāng)壓電元件受到交變力當(dāng)壓電元件受到交變力F=Fmsint2022年3月25日20輸入端電壓幅值：輸入端電壓幅值：電路中的電流為電路中的電流為RCjCCjQjRCjuCCjCjIicaica 1)(1 1)(1 RCjRQjRCjuRCjZIuaaCRi

17、 112223322211CRFRdCRRQUmim 輸入端電壓相位：輸入端電壓相位：)arctan(2)(RC 輸入端電壓輸入端電壓電壓放大器輸出電壓幅值電壓放大器輸出電壓幅值233)(1RCAFRdAUUmimom 式中式中A電壓放大器的電壓放大倍數(shù)。電壓放大器的電壓放大倍數(shù)。2022年3月25日211)(2 RC micamimFCCCdFCdU 3333icauCCCdk 33，則：，則：當(dāng)作用力頻率當(dāng)作用力頻率 與電路時間常數(shù)與電路時間常數(shù)RC足夠大時，足夠大時，qUim、k ku u、Uom與與C Cc c有關(guān)，當(dāng)改變電纜長度或布線有關(guān)，當(dāng)改變電纜長度或布線 方法時，方法時，U U

18、imim、k ku u 、Uom都會改變，從而導(dǎo)致測量誤都會改變，從而導(dǎo)致測量誤差。差。 顯然：顯然：233)(1RCRddFdUkmimu icammimomCCCAFdCAFdAUU 3333,壓電元件的電壓靈敏度壓電元件的電壓靈敏度0)( 2022年3月25日22q若壓電器件上作用靜態(tài)力（若壓電器件上作用靜態(tài)力（ = 0= 0），），Uim和和ku均等均等于于0 0。即壓電傳感器不能測量靜態(tài)力。即壓電傳感器不能測量靜態(tài)力。 q若被測量是準(zhǔn)靜態(tài)量，必須增大測量回路時間常數(shù)若被測量是準(zhǔn)靜態(tài)量，必須增大測量回路時間常數(shù)，以維持，以維持( RC)2 1 1，減少，減少 對對Uim和和ku的影響。

19、顯然的影響。顯然增加電容增加電容C會降低靈敏度，而一般會降低靈敏度，而一般Ra很大，故只有增很大，故只有增加加Ri。Ri越大，低頻響應(yīng)越好。下限頻率：越大，低頻響應(yīng)越好。下限頻率：CRfi 21 （一般（一般RaRi）2022年3月25日23q 對動態(tài)測量，對動態(tài)測量， 較大，易滿足較大，易滿足( RC)2 1，此時，此時Uim和和ku 近似與近似與 無關(guān)，即壓電傳感器具有良好的高無關(guān)，即壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。頻響應(yīng)特性。 2.2.電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是一個高增益帶電容負(fù)反饋的運(yùn)算放大電荷放大器是一個高增益帶電容負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，其輸入阻抗極高（器，其輸入阻抗極高（1

20、0101212 以上）。以上）。 電荷放大電路電荷放大電路Ca Ra QCc Ri -Aui uo Cf Ci 2022年3月25日24電荷放電荷放大電路大電路Ca Ra QCc Ri Ci -Aui uo (1+A)Cf 其中其中C = Ca + Cc + Ci + (1+A)Cf 。 放大器的輸出電壓幅值為：放大器的輸出電壓幅值為： 把反饋電容把反饋電容CfCf等效到放大器輸入端后，其放大器等效等效到放大器輸入端后，其放大器等效電如右圖，電如右圖，同樣可求得輸入端電壓幅值：同樣可求得輸入端電壓幅值：fmficammimCAFdCACCCFdCFdU)1()1(333333 ficamimo

21、mCACCCFAdAUU)1(33 2022年3月25日25fmomCFdU33 若若A A足夠大（一般足夠大（一般100dB100dB以上），則：以上），則： (1+A)Cf Ca + Cc + Ci 式中負(fù)號表示放大器的輸出信號與輸入信號反相。式中負(fù)號表示放大器的輸出信號與輸入信號反相。上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與外力成正比，與反饋電容成反比，而與與外力成正比，與反饋電容成反比，而與Ca、Cc和和Ci無關(guān)。電纜分布電容變化不會影響傳感器靈敏度，無關(guān)。電纜分布電容變化不會影響傳感器靈敏度，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。這是電荷放大器的

22、突出優(yōu)點(diǎn)。 2022年3月25日26 由于采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對直流工作由于采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零漂，點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個大的反饋電阻一個大的反饋電阻R Rf f（約（約10108 8101012 12 ），以穩(wěn)定放），以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)。大器的直流工作點(diǎn)。 電荷放大器電路復(fù)雜，價格昂貴，電壓放大電荷放大器電路復(fù)雜，價格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈

23、敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時宜綜合考慮。電纜分布電容有關(guān)，選用時宜綜合考慮。2022年3月25日27能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器；能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器； 體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率， 得到較寬的工作頻率范圍；得到較寬的工作頻率范圍； 靈敏度高，穩(wěn)定性好。對應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳靈敏度高，穩(wěn)定性好。對應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳 感器，電荷量與晶體的變形無關(guān)，因而靈敏度與感器，電荷量與晶體的變形無關(guān)，因而靈敏度與 傳感器剛度無關(guān)；傳感器剛度無關(guān)； 有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象；有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象；低頻特性較差，主要用于動態(tài)測量；低頻特性較差，主要用于動態(tài)測量；存在橫向效應(yīng)，影響測量結(jié)果；存在橫向效應(yīng)，影響測量結(jié)果；應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、 低噪聲電纜；低噪聲電纜； 工作原理可逆。工作原理可逆。3.3.壓電式傳感器的特點(diǎn)壓電式傳感器的特點(diǎn)2022年3月25日28三、三、測量電路測量電路 在應(yīng)用中，壓電傳感器測量電路的組成如圖在應(yīng)用中，壓電傳感器測量電路的組成如圖7-11所示。所示