第2章壓電式和壓磁式傳感器

1、第二章 壓電式和壓磁式傳感器1 壓電式傳感器的工作原理2 等效電路及信號(hào)變換電路3 壓電式加速度傳感器4 壓電式測(cè)力傳感器5 壓磁式傳感器下一頁(yè)返 回1 壓電式傳感器的工作原理n電勢(shì)型傳感器 以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)壓電效應(yīng)可逆 “雙向傳感器”n正壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。 ( 加力 變形 產(chǎn)生電荷)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回n逆壓電效應(yīng) 在壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱(chēng)為“電致伸縮效應(yīng)”，也叫

2、做“逆壓電效應(yīng)”。(施加電場(chǎng) 電介質(zhì)產(chǎn)生變形 應(yīng)力 ) 常見(jiàn)的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。 1. 石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)X軸：電軸或軸：電軸或1軸；軸；Y軸：機(jī)械軸或軸：機(jī)械軸或2軸；軸；Z軸：光軸或軸：光軸或3軸。軸。 “縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”：沿電軸（：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”：沿機(jī)械軸（：沿機(jī)械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸（在光軸（Z軸）方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸）方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回晶體切片 n當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時(shí)，則在與電軸垂直的

3、平面上產(chǎn)生電荷 xxFdQ11d11壓電系數(shù)（壓電系數(shù)（C/N） yyxFbadFbadQ1112作用力是沿著機(jī)械軸方向作用力是沿著機(jī)械軸方向電荷仍在與電荷仍在與X軸垂直的平面軸垂直的平面上一頁(yè)下一頁(yè)返 回1112dd此時(shí)，此時(shí)，切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系 圖（圖（a）是在）是在X軸方向受壓力，軸方向受壓力，圖（圖（b）是在）是在X軸方向受拉力，軸方向受拉力，圖（圖（c）是在）是在Y軸方向受壓力，軸方向受壓力，圖（圖（d）是在）是在Y軸方向受拉力。軸方向受拉力。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回石英晶體的壓電效應(yīng) （a）正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒(méi)有帶電現(xiàn)象。）正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒(méi)有帶電

4、現(xiàn)象。（b）在）在X軸方向壓縮，表面軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷、上呈現(xiàn)負(fù)電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。表面呈現(xiàn)正電荷。（c）沿）沿Y軸方向壓縮，在軸方向壓縮，在A和和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回石英晶體一種天然晶體，壓電系數(shù)d112.311012C/N；莫氏硬度為7、熔點(diǎn)為1750、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線(xiàn)性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性好。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2. 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)n人工制造的多晶體，壓電機(jī)理與

5、壓電晶體不同。 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化上一頁(yè)下一頁(yè)返 回陶瓷片極化 壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符合相反而數(shù)值相等，自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符合相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用，因此陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性。因此陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回壓電陶瓷的正壓電效應(yīng) n壓電陶瓷片上加上一個(gè)與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來(lái)吸附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀

6、，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。 放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系 FdQ33上一頁(yè)下一頁(yè)返 回 Q 電荷量；d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F 作用力。 FdQ33常見(jiàn)壓電陶瓷 ：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（PZT）壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的 變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以 獲得不同性能的PZT材料。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3

7、-PbZrO3壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工 作，可作為高溫下的力傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2 等效電路及信號(hào)變換電路n1. 壓電元件的等效電路n2. 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路上一頁(yè)下一頁(yè)返 回1. 壓電元件的等效電路hshsCra0aCQU 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回壓電式傳感器的等效電路 (a)等效為一個(gè)電荷源等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路并聯(lián)的電路 (b) 等效成一個(gè)電源等效成一個(gè)電源U = Q/Ca 和一個(gè)電容和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路的串聯(lián)電路 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回兩個(gè)壓電片的聯(lián)結(jié)方式 （a） “并聯(lián)并聯(lián)”，Q=2Q，U=U，

8、C=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方，（b） “串聯(lián)串聯(lián)” Q=Q，U=2U，C=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方。適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2. 壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以?xún)?nèi)。因此常先接入一個(gè)高輸入阻

9、抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。測(cè)量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。 前置放大器兩個(gè)作用:把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回壓電傳感器的工作原理演示壓電傳感器的工作原理演示n壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)（例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。在在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷外力作用下，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。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。 n在晶體的彈性限度內(nèi)，壓

10、電材料受力后，其表面產(chǎn)生的電荷Q與所施加的力F成正比。當(dāng)施加的是正向壓力時(shí)（圖中從上到下的力），上當(dāng)施加的是正向壓力時(shí)（圖中從上到下的力），上下表面產(chǎn)生上正下負(fù)的電荷。當(dāng)力消失時(shí)，壓電材料反彈，產(chǎn)生上負(fù)下表面產(chǎn)生上正下負(fù)的電荷。當(dāng)力消失時(shí)，壓電材料反彈，產(chǎn)生上負(fù)下正的電荷。下正的電荷。 n由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。圖中當(dāng)力恒定地施加在壓電材料當(dāng)力恒定地施加在壓電材料上時(shí)，電荷逐漸消失，這表示明壓電材料不能用于測(cè)

11、量物體重量之類(lèi)上時(shí)，電荷逐漸消失，這表示明壓電材料不能用于測(cè)量物體重量之類(lèi)的物理量。的物理量。（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容：傳感器的電容 Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻 Cc：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容：放大器的輸入電容iaiaRRRRRicaCCCC上一頁(yè)下一頁(yè)返 回前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓 RCjRiUi1壓電元件的力壓電元件的力 F=Fmsint壓電元件的壓電系數(shù)為壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為，產(chǎn)生的電荷為Q = d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdU

12、i111。2211)()(1icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值 當(dāng)作用力是靜態(tài)力（當(dāng)作用力是靜態(tài)力（=0） 時(shí)，前置放大器的輸入電壓為零。時(shí)，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回傳感器的低頻響應(yīng)范圍 n如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量，而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù)。n但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來(lái)提高時(shí)間常數(shù)，因?yàn)?/p>

13、傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回電壓放大器應(yīng)用限制n壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。n電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡(jiǎn)單，元件少，價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回解決電纜問(wèn)題的辦法將放大器裝入傳感

14、器中，組成一體化傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回壓電式加速度傳感器 n壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個(gè)超小型靜電放大器。這樣引線(xiàn)非常短，引線(xiàn)電容幾乎等于零就避免了長(zhǎng)電纜對(duì)傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號(hào)，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷。 （2）電荷放大器）電荷放大器壓電式傳感器另一種專(zhuān)用的前置放大器。能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)10101012，輸出阻抗小于100。使用電荷放大器突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。上一頁(yè)下

15、一頁(yè)返 回壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路 K是放大器的開(kāi)環(huán)增益，（是放大器的開(kāi)環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，）表示放大器的輸出與輸入反相，若開(kāi)環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近若開(kāi)環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地地”電位。電位。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回充電電壓接近等于放大器的輸出電壓充電電壓接近等于放大器的輸出電壓 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0幾點(diǎn)結(jié)論：幾點(diǎn)結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)， 而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無(wú)關(guān)系，而與放大器的放大系數(shù)的變化或

16、電纜電容等均無(wú)關(guān)系，2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成變化成 線(xiàn)形關(guān)系的輸出電壓。線(xiàn)形關(guān)系的輸出電壓。3、反饋電容、反饋電容Cf小，輸出就大，小，輸出就大，4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?、輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)條件：、輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)條件： （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2.3 壓電式加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)上一頁(yè)下一頁(yè)返 回測(cè)量原理當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受與傳感器基座

17、相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。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。由于壓電片壓電效應(yīng)，兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量?jī)x器測(cè)出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)速度或位移。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回2.4 壓電式測(cè)力傳感器 壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)換為電荷的傳感器。n變形方式：利用縱向壓電效應(yīng)的TE方式最簡(jiǎn)便。n材料選擇：決定于所測(cè)力的量值大小，對(duì)測(cè)量誤差提 出的要求、工作環(huán)境溫

18、度等各種因素。n晶片數(shù)目：通常是使用機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。晶片電氣并聯(lián)兩片，可以使傳感器的電荷 輸出靈敏度增大一倍。上一頁(yè)下一頁(yè)返 回單向壓電式測(cè)力傳感器 n用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。 上一頁(yè)下一頁(yè)返 回壓電式壓力傳感器 n測(cè)量均布?jí)毫Φ膫鞲衅?n拉緊的薄壁管對(duì)晶片提供預(yù)載力而感受外部壓力的是由撓性材料做成的很薄的膜片。預(yù)載筒外的空腔可以連接冷卻系統(tǒng)，以保證傳感器工作在一定的環(huán)境溫度條件下，避免因溫度變化造成預(yù)載力變化引起的測(cè)量誤差。 上一頁(yè)返 回例題1n有一壓電晶體，其面積S3cm*cm,厚度t0.3mm,在x切型縱向石英晶體壓電系數(shù) 。 求受到壓力p10MPa作用時(shí)產(chǎn)生的電荷q及輸出電

19、壓 注：其中真空介電常數(shù): 石英相對(duì)介電常數(shù)為： 12112.3110/dCN0U1 208 .8 51 0/Fm4 .5rn解： 受力作用后，石英晶體產(chǎn)生的電荷量為： 帶入數(shù)據(jù)得： 晶體的電容量為： 得輸出電壓1 11 1qdFdpS96.93 10qC0rsCt 113.98 10CF9116.93*101743.98*10qUVC例題2n壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示，假設(shè)重塊組件的質(zhì)量為m，壓電元件的壓電系數(shù)為d，傳感器殼體內(nèi)的等效阻尼系數(shù)為c。要求：（1）分別給出輸出電荷q及輸出電壓U與加速度a之間的關(guān)系；（2）畫(huà)出此加速度傳感器的等效模型； （3）推導(dǎo)傳感器的微分方程，并說(shuō)明它是

20、幾階環(huán)節(jié)的傳感器。 解：（1）q=dF=dma U=q/C=dma/CC為傳感器的電容量，a為測(cè)量加速度。 madtxdmkydtdyCdtydmkydtdyCdt)yx(dm222222（2）等效模型如右圖所示： （3）以m為分析對(duì)象，其受力為 彈簧力-ky，阻尼力-Cdy/dt 由牛頓第二定律：所以是一個(gè)二階環(huán)節(jié)的傳感器。2.5 壓磁式傳感器 也稱(chēng)磁彈性傳感器。特點(diǎn)：輸出功率大、信號(hào)強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固可靠、抗干擾性能好、過(guò)載能力強(qiáng)等。使用：軋鋼壓力和鋼板厚度的控制系統(tǒng)； 起重運(yùn)輸?shù)倪^(guò)載包括控制系統(tǒng)； 動(dòng)態(tài)車(chē)輛裝載物料的測(cè)重系統(tǒng)。一、壓磁效應(yīng) 在外力的作用下，引起鐵磁材料內(nèi)部發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)力的變化，使各磁疇之間的界線(xiàn)發(fā)生移動(dòng)，從而使磁疇磁化強(qiáng)度也發(fā)生相應(yīng)的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)之為壓磁效應(yīng)。 作用力引起導(dǎo)磁率發(fā)生改變的時(shí)候，作用力的作用方向是有影響的。 若作用力是拉力，則在作用力方向上的導(dǎo)磁率提高，垂直于作用力方向上的導(dǎo)磁率略有降低。 作用力是壓力的話(huà)，效果相反。EZRFM或)(22B二、壓磁元件工作原理及其結(jié)構(gòu) 利用鐵磁材料的壓磁效應(yīng)，在受外力作用時(shí)，鐵磁材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)力變化，引起鐵磁材料導(dǎo)