第六章 壓電式傳感器

1、 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料(石英晶體和壓電陶瓷）的壓電效應(yīng)。 是雙向傳感雙向傳感器。實(shí)現(xiàn)力與電荷的雙向轉(zhuǎn)換。器。實(shí)現(xiàn)力與電荷的雙向轉(zhuǎn)換。第六章第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器 可測(cè)與力相關(guān)的物理量，如各種動(dòng)態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動(dòng)。 在聲學(xué)、 醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)是無(wú)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。第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)一、一、 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì), 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí), 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象（內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)位移）, 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷, 當(dāng)外力去掉后, 其

2、又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱(chēng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí), 電荷的極性也隨之改變。 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象, 稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)” 。 當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng), 這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形, 這種現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）?？蓪㈦娔苻D(zhuǎn)換為機(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)為壓電材料, 壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換。壓電效應(yīng)_y逆壓電效應(yīng)+ 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究, 發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 壓電效應(yīng)表達(dá)式壓電效應(yīng)表達(dá)式QdFd-壓電系數(shù)； F外作用力為了使用方便，常用壓電應(yīng)變常數(shù)，則有ij

3、jqd 物理意義：在短路條件下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度ijd第二節(jié) 壓電材料明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料壓電材料可以分為兩大類(lèi): 壓電晶體和壓電陶瓷 。 壓電材料的主要特性參數(shù)有: （1） 壓電常數(shù):壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù), 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。 （2） 彈性常數(shù):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(dòng)態(tài)特性。 （3） 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。 （4） 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）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根; 它

4、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)。 （5） 電阻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。（6） 居里點(diǎn)壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)。 1、單晶體、單晶體 石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)。它是一個(gè)正六面體，有右旋和左旋晶體之分，外形互為鏡像對(duì)稱(chēng)。 石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。在直角坐標(biāo)系中，它有三個(gè)軸。 電軸（X軸）：平行于相鄰柱面內(nèi)夾角的等分線棱線，垂直于此軸面上的垂直于此軸面上的壓電效應(yīng)最強(qiáng)。壓電效應(yīng)最強(qiáng)。機(jī)械軸（Y軸）：垂直于棱柱面。在電場(chǎng)（沿在電場(chǎng)（沿X向作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形向作用下，沿該軸方向的機(jī)械變形最大。）最大。）光軸（Z軸）：垂

5、直于XY。光線沿該軸通過(guò)石英晶體時(shí)，無(wú)折射，在此方向加外力，無(wú)壓電效應(yīng)現(xiàn)象 。結(jié)論：通常把沿電軸x 方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”, 而把沿機(jī)械軸y 方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”。 而沿光軸z 方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2、力與電荷的關(guān)系、力與電荷的關(guān)系 若從晶體上沿 y 方向切下一塊如圖 所示晶片, 當(dāng)在電軸方向施加作用力時(shí), 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為 qx = d11 fx 式中: d11x方向受力的壓電系數(shù); fx作用力產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸無(wú)關(guān)?？v向壓電效應(yīng)。 沿機(jī)械軸y方向施加作用力fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生

6、電荷qx ,其大小為yyxFhldFhldq1112式中: d12y軸方向受力的壓電系數(shù), d12=d11; l、 h晶體切片長(zhǎng)度和厚度。產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)。產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)。壓電效應(yīng)為橫向壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)為橫向壓電效應(yīng)。 3、壓電效應(yīng)的物理解釋、壓電效應(yīng)的物理解釋 石英晶體sio2，3個(gè)硅離子Si4+離子, 6個(gè)氧離子O2-。兩兩成對(duì)。微觀分子結(jié)構(gòu)為一個(gè)正六邊形。垂直于X軸端面有無(wú)數(shù)個(gè)此分子結(jié)構(gòu)。 （1）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P1、 P2、P3。 如圖 a所示。 P1+ P2+P3=0。正負(fù)電荷中心重合，晶體

7、垂直X軸表面不產(chǎn)生電荷。呈中性。（2）受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 （b）所示, 此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合, 電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P1+P2+P3） 0 。 在x軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為零, 不出現(xiàn)電荷。（3）受到沿y軸方向的壓力作用時(shí), 晶體的變形如圖（c）所示， P1增大, P2、P3 減小。 在垂直于x軸正方向出現(xiàn)正電荷, 在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。石英最明顯的優(yōu)點(diǎn)是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適于做工作溫度范圍很寬的傳感器。石英晶體的機(jī)械強(qiáng)

8、度很高，可用來(lái)測(cè)量大量程的力和加速度。天然石英的穩(wěn)定性很好，但資源少并且大多存在一些缺陷。故一般只用在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器或精度很高的傳感器中。 2.多晶體的壓電特性多晶體的壓電特性 （1）壓電陶瓷的極化未加電場(chǎng) 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)極化的電疇, 它有一定的極化方向, 從而存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí), 電疇在晶體中雜亂分布, 它們的極化效應(yīng)被相互抵消, 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)。 加電場(chǎng) 電疇方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 趨向于按外電場(chǎng)方向的排列, 從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng), 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電

9、場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度, 即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí), 外電場(chǎng)去掉后, 電疇的極化方向基本不變, 即剩余極化強(qiáng)度很大, 這時(shí)的材料具有壓電特性。 （ 2）壓電陶瓷力與電荷的關(guān)系 當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí), 電疇的界限發(fā)生移動(dòng), 電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn), 從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化, 因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng), 將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象, 就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系: 33qd 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多, 所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電

10、陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān), 它的參數(shù)也隨時(shí)間變化, 從而使其壓電特性減弱。 最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍, 但使用溫度較低, 最高只有70, 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列）, 它是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的Pb（ZrTi）O3。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。 鈮鎂酸鉛是 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來(lái)的壓電陶瓷。 它由鈮鎂酸鉛(Pb（Mg Nb ）O3)、 鋯酸鉛(PbZrO3)和鈦酸鉛(PbTiO

11、3)按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷, 具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度, 而且能承受較高的壓力。 第三節(jié) 壓電元件的常用結(jié)構(gòu)形式一、壓電元件的基本變形(一)厚度變形(TE方式)石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的表面電荷密度為1111qd(二)長(zhǎng)度變形(LE方式)利用石英品體的橫向壓電效應(yīng)，表面電荷的計(jì)算式為1122qd(三)面剪切變形(FS方式)11442255qdqdX切晶片Y切晶片厚度剪切變形(TS方式)2266qdY切晶片（四）彎曲變形(BS方式)它不是基本變形方式，而是拉、壓、切應(yīng)力共同作用的結(jié)果。根據(jù)具體情況選擇合適的壓電常數(shù)。二、壓電材料并聯(lián)和串聯(lián)兩種接法二、壓電材料并聯(lián)和串聯(lián)兩

12、種接法1、并聯(lián)方式nqqUUnCC特點(diǎn)：輸出電荷特點(diǎn)：輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，大，時(shí)間常數(shù)大，適合測(cè)慢速信號(hào)，適合測(cè)慢速信號(hào)，以電荷為輸出的以電荷為輸出的場(chǎng)合。場(chǎng)合。2、串聯(lián)方式qqnUUnCC特點(diǎn)：輸出電壓大，電容、時(shí)間常數(shù)小，適合以電壓為輸出，高輸入阻抗的場(chǎng)合。注意：為使壓電片電荷與力之間成線性關(guān)系，壓電片需有一定的預(yù)壓力，保證接觸面均勻接觸。第四節(jié) 等效電路與測(cè)量電路一、一、 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英晶體為絕緣體，因此可以構(gòu)成一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為：0raS

13、C 壓電傳感器也可以壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)與一個(gè)電容并聯(lián)。壓電元件受外力時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電荷，壓電元件的開(kāi)路電壓為：aQUC(a)電荷源壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。電壓源電壓靈敏度與電荷靈敏度之間的關(guān)系為：quakkC二、二、 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路 測(cè)量時(shí)，需把壓電傳感器用電纜接于前置放大器，前置放大器作用前置放大器作用： 一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào) 二是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗1、電壓放大器、電壓放大器等效電阻/aiRRR等效電容aiCCCai

14、aiR RRRsinsinmmadFutUtC在力作用下產(chǎn)生的電壓：1111()11aiaaRj CRj RCj CUuuj R CCRj Cj CRj C送入放大器輸入端的電壓為：sin1()sin1()maaamadFtj RCCj R CCj RdFtj R CC222)(1ciamimCCCRRdFU幅值為與作用力之間的相位差為( )arctan()2aicCCC R 2221()imumaicUdKFCCCR傳感器電壓靈敏度為1R高頻imimaicdFUCCC為定值。1R低頻較大，輸出電壓很小，不宜測(cè)。當(dāng)要使電壓靈敏度為常數(shù)，應(yīng)使壓電片與前置當(dāng)要使電壓靈敏度為常數(shù)，應(yīng)使壓電片與前置放

15、大器的連接導(dǎo)線為定長(zhǎng)，以保證放大器的連接導(dǎo)線為定長(zhǎng)，以保證CC不變。不變。壓電式傳感器的高頻響應(yīng)很好。壓電式傳感器的高頻響應(yīng)很好。2. 電荷放大器電荷放大器看作是電荷負(fù)反饋電路電荷放大器等效電路圖電荷放大器等效電路圖iFQQQ凈輸入電荷反饋電容上電荷為000)()FiffUQUU CU CA （0(1)fUACA fffiiCQCACAQUUACACQAUCCuQ)1 ()1 (000特點(diǎn)：輸出電壓與電纜電容特點(diǎn)：輸出電壓與電纜電容CC無(wú)關(guān)，即與電纜無(wú)關(guān)，即與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，更換電纜不影響傳感器靈敏度，且長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，更換電纜不影響傳感器靈敏度，且輸出電壓與輸出電荷成正比。輸出電壓與輸出電荷成正比。

16、第五節(jié)第五節(jié) 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用一、一、 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器1、結(jié)構(gòu) 壓電片用高壓電系數(shù)的壓電陶瓷制成。兩個(gè)壓電片并聯(lián)。質(zhì)量塊用高比重的金屬塊，對(duì)壓電元件施加預(yù)載荷 它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。 整個(gè)部件裝在外殼內(nèi), 并用螺栓加以固定。 測(cè)量時(shí)，將底座與被測(cè)量加速度的構(gòu)件剛性地連接在一起，使質(zhì)量塊感受與構(gòu)件完全相同的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)構(gòu)件產(chǎn)生加速度時(shí)，質(zhì)量塊將產(chǎn)生慣性力F1，其方向與加速度方向相反，大小為F1ma。此慣性力與預(yù)緊力F0疊加后作用在壓電元件上，使得作用在壓電元件上的壓力F為：010FFFFma壓電元件上產(chǎn)生與加速度a對(duì)應(yīng)的電荷，

17、即11110()Qd FdFma2、工作原理、工作原理右圖給出了Qf(F)的函數(shù)關(guān)系0Q為靜態(tài)工作點(diǎn)的電荷量與ma對(duì)應(yīng)的是電荷的增量 Q11Qdma工作時(shí)，將壓電元件產(chǎn)生的電荷輸出給電荷放大器，則電荷放大器的輸出電壓的增量110ffd maQuCC 由上式可知，電荷放大器的輸出電壓的增量 與加速度a成正比。因此，只要將測(cè)出，即可測(cè)出構(gòu)件的加速度。 如果在電路中增加一級(jí)或兩級(jí)積分電路，則還可測(cè)出構(gòu)件的速度或位移量。0u0u 二、二、 壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器 檢測(cè)原理:它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大

18、、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。 檢測(cè)時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上, 然后通過(guò)電纜和報(bào)警電路相連。 帶通濾波使玻璃振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的輸出電壓信號(hào)通過(guò)，其它頻段的信號(hào)濾除。 比較器作用是當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí), 輸出報(bào)警信號(hào), 驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。如進(jìn)行聲光報(bào)警。 三、三、 壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)力傳感器 傳感器上蓋為傳力元件, 當(dāng)外力作用時(shí), 它將產(chǎn)生彈性變形, 將力傳遞到石英晶片上。兩片石英晶體采用并聯(lián)方式，一根引線兩壓電片中間的金屬片上，另一端直接與上蓋相接。利用其縱向壓電效應(yīng), 實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。電信號(hào)通過(guò)接頭輸出?？蓽y(cè)動(dòng)態(tài)力。注意：上蓋與石英晶體間應(yīng)有一定的預(yù)壓力。四、四、 壓

19、電式金屬加工壓電式金屬加工切削力測(cè)量切削力測(cè)量 由于壓電陶瓷元件的自振頻率高, 特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車(chē)刀前部的下方, 當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí), 切削力通過(guò)刀具傳給壓電傳感器, 壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出, 記錄下電信號(hào)的變化便測(cè)得切削力的變化。 五五壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等）（用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等） 將長(zhǎng)的壓電電纜埋在將長(zhǎng)的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽(tīng)音器的式地下麥克風(fēng)或聽(tīng)音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測(cè)人的步行探測(cè)人的步行, 對(duì)輪式或履對(duì)輪式或履帶式車(chē)輛也可以通過(guò)信號(hào)帶式車(chē)輛也可以通過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)分辨出來(lái)。右圖處理系統(tǒng)分辨出來(lái)。右圖為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。為測(cè)量系統(tǒng)的輸出波形。3.3.交通監(jiān)測(cè)交通監(jiān)測(cè) （包括軸數(shù)、