第6章壓電式傳感器

1、 傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù) 朱啟兵朱啟兵2/26傳感器與檢測技術(shù)傳感器與檢測技術(shù)第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)及材料一、壓電效應(yīng)及材料二、壓電方程及壓電常數(shù)二、壓電方程及壓電常數(shù)三、測量電路三、測量電路四、壓電傳感器及應(yīng)用四、壓電傳感器及應(yīng)用五、影響壓電傳感器工作的主要因素五、影響壓電傳感器工作的主要因素3/26壓電式傳感器壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)及材料一、壓電效應(yīng)及材料某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)壓電材料受力變形，在表面產(chǎn)生電荷正壓電效應(yīng) 壓電材料

2、通電壓，材料變形逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)具有極性 外加作用力從壓力變?yōu)槔Γ橘|(zhì)表面上產(chǎn)生的電荷會改變符號1. 1. 基本原理基本原理4/26壓電式傳感器壓電式傳感器5/26壓電式傳感器壓電式傳感器2. 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常用的壓電材料有：壓電晶體、壓電陶瓷、有機高分子壓電材料等。（1）壓電晶體，單晶體，典型的如天然石英晶體等天然石英晶體的結(jié)晶體是一種天然石英晶體的結(jié)晶體是一種六角形晶柱六角形晶柱，其化學(xué)式是其化學(xué)式是SiO2SiO2光軸：光軸：縱軸線縱軸線ozoz，無壓電效應(yīng)，無折射，無壓電效應(yīng)，無折射電軸：電軸：通過六角棱線而與光軸垂直通過六角棱線而與光軸垂直

3、的軸線的軸線oxox，垂直此軸壓電效應(yīng)最強。，垂直此軸壓電效應(yīng)最強。機軸：機軸：垂直于棱面和光軸的軸線垂直于棱面和光軸的軸線oyoy，在電在電場作用下變形最大，場作用下變形最大，從石英晶體內(nèi)取出一片長方體晶體片從石英晶體內(nèi)取出一片長方體晶體片 其各棱邊與各軸平行其各棱邊與各軸平行 6/26壓電式傳感器壓電式傳感器（2）壓電陶瓷）壓電陶瓷人工制造的多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛人工制造的多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(簡稱簡稱PZT)等，使等，使用前需要用前需要極化處理。極化處理。人造壓電材料在高壓電場下放置數(shù)小時，使內(nèi)部晶體整齊排列人造壓電材料在高壓電場下放置數(shù)小時，使內(nèi)部晶體整齊排列7/26壓電式傳

4、感器壓電式傳感器3. 3. 壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù), 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。對于一定形狀、 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。在壓電效應(yīng)中,機械耦合系數(shù)等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根; 它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。 壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏, 從而改善壓電傳感器的低頻特性。壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點溫度。 8/26壓電式傳感器壓電式傳感器二、壓

5、電方程及壓電常數(shù)二、壓電方程及壓電常數(shù)1.石英晶體的切型石英晶體的切型9/26壓電式傳感器壓電式傳感器2.壓電方程和壓電常數(shù)矩陣壓電方程和壓電常數(shù)矩陣654321363534333231262524232221161514131211321TTTTTTdddddddddddddddddd123, ,ijjx y zdjiTj 軸上的電荷密度向應(yīng)力引起的 面產(chǎn)生的電荷的壓電常數(shù)。向的應(yīng)力10/26壓電式傳感器壓電式傳感器對于對于X0切型石英晶體的壓電常數(shù)矩陣，具體為切型石英晶體的壓電常數(shù)矩陣，具體為 00000020000000000000000000011141411112625141211d

6、ddddddddddij11/26壓電式傳感器壓電式傳感器12/26壓電式傳感器壓電式傳感器13/26壓電式傳感器壓電式傳感器三、測量電路三、測量電路1.壓電晶片的連接方式壓電晶片的連接方式CCUUqq212；CCUUqq22；傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，適用于測量以電壓作輸出的信號和壓大，適用于測量以電壓作輸出的信號和頻率較高的信號頻率較高的信號14/26壓電式傳感器壓電式傳感器2.等

7、效電路等效電路壓電元件從功能上是一個電荷發(fā)生器壓電元件從功能上是一個電荷發(fā)生器壓電元件從性質(zhì)上講是一個有源電容器壓電元件從性質(zhì)上講是一個有源電容器（a a） 電壓源電壓源; ; （b b） 電荷源電荷源 CauaCaq(a)(b)15/26壓電式傳感器壓電式傳感器16/26壓電晶體在受力變形后所產(chǎn)生的電荷量極其微弱壓電片本身的內(nèi)阻很大，壓電片輸出的功率極為微弱后續(xù)放大電路主要有兩個方面的特殊要求： 高靈敏度 高輸入阻抗只有滿足這些要求，才能把微弱的電荷信號測量出來現(xiàn)在采用下列兩種形式： 電壓放大器 電荷放大器壓電式傳感器壓電式傳感器3.等效測量電路等效測量電路17/26壓電式傳感器壓電式傳感器

8、（1）電壓放大器）電壓放大器AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)tUtCdFUmamasinsin222)(1)(icamimCCCRRdFU)(arctan2)(RCCCicasinmFFt18/26壓電式傳感器壓電式傳感器在理想情況下，傳感器的在理想情況下，傳感器的R Ra a電阻值與前置放大器輸入電阻電阻值與前置放大器輸入電阻R Ri i都為無限大，即都為無限大，即( (C Ca a+ +C Cc c+ +C Ci i) )R R1 1，可知，理想情況下輸入電壓幅值，可知，理想情況下輸入電壓幅值U Uimim為為 icamimCCCdFU表明前置放大器輸入電壓表明前

9、置放大器輸入電壓U Uimim與頻率無關(guān)，一般在與頻率無關(guān)，一般在/0 033時，就可以認(rèn)為時，就可以認(rèn)為U Uimim與與無關(guān)，無關(guān)，0 0表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 RCCCica)(10這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng)，但是，當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力（態(tài)力（=0=0）時，）時， 前置放大器的輸出電壓等于零，前置放大器的輸出電壓等于零， 因為電荷會通過放大器因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉， 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測所以壓電傳感器不

10、能用于靜態(tài)力的測量。量。 當(dāng)電纜長度改變時，當(dāng)電纜長度改變時，C Cc c也將改變，因而也將改變，因而U Uimim也隨之變化。因此，壓電傳感器也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換， 否則將引入測量誤差。否則將引入測量誤差。19/26壓電式傳感器壓電式傳感器（2）電荷放大器）電荷放大器為解決電壓放大器中寄生電容的影響，使輸出電壓僅取決于電荷 出現(xiàn)了電荷放大器引入線路的等效電路如右圖所示先將3個電容Ca，Cc，Ci和已按串并聯(lián)計算簡化折算成一個電容C0，則：由于運算放大器輸入阻抗極高， 放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。0aciCCCC20/26壓電式傳感器壓電式傳感器線路可簡化成圖(b)，電荷q分布在C0和Cf上， 兩個電容上具有下式關(guān)系： 0()infinyqe CCee=+-yineKe= -因ein對運算放大器作反向端輸入，故：式中，K為運算放大器的增益。作簡化后得： yffKqqeC KC=-由于K值極大，所以1+KK，又Cf(1+K)C0， C0可以略去而得： 0(1)yfKqeCC