壓電式傳感器分類和檢測技術(shù)

1、壓電式傳感器分類和檢測技術(shù) 是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。 壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應用。 壓電效應壓電材料壓電式傳感器的測量電路一、壓電效應正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質(zhì)，當

2、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，同時在它的某兩個表面上產(chǎn)生極性相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機械能正壓電效應逆壓電效應壓電效應石英晶體的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應（一）石英晶體的壓電效應天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸ZZ稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為電軸；與XX軸和ZZ

3、軸同時垂直的YY軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標系ZYX通常把沿電軸XX方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸YY方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸ZZ方向受力則不產(chǎn)生壓電效應。 石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“”代表Si4+，“”代表2O2-。 (b)(a)+-YXXY硅氧離子的排列示意圖(a) 硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效

4、為正六邊形排列的投影+ 當作用力FX=0時，正、負離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 Y+-X(a) FX=0P1P2P3當晶體受到沿X方向的壓力（FX0在Y、Z方向上的分量為：（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。FXXY+FX(b) FX0+-P1P2P3（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+當晶體受到沿X方向的拉力（FX0）作用時，其變化情況如

5、圖（c）。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(xiàn)負電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷?？梢?，當晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，它在X方向產(chǎn)生正壓電效應，而Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應。晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當FY0時，晶體的形變與圖（b）相似；當FY0時，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應。 (c) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+FXXY+FX(b) FX1，即作用力變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠大于1時。前置放大器的輸入電壓Uim與頻率無關(guān)。一般認為/03，可近似看

6、作輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。這說明，在測量回路時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當好的高頻響應特性。 結(jié)合：但是，當被測動態(tài)量變化緩慢，而測量回路時間常數(shù)不大時，會造成傳感器靈敏度下降，因而要擴大工作頻帶的低頻端，就必須提高測量回路的時間常數(shù)。但是靠增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得:因為R1，故上式可以近似為因為R1，故上式可以近似為 可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測量回路時間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應也越好。當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時Cc

7、將改變，必須重新校正靈敏度值。 2、電荷放大器 電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達式為： A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖(忽略了運放輸入電阻、電纜電容、輸入電容)iRaqCFRFA0CaUUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF畫出等效電路圖A0CaRaRCUSCUqCF、RF等效到A0的輸入端時，電容CF將增大(1A0)倍。電導1RF也增大了(1A0)倍。所以圖中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)RF。由：等效電路圖A0

8、CaRaRCUSCUq運放輸入電壓輸出電壓當A0足夠大時,傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數(shù)CF和RF。一般而言1RFCF若考慮電纜電容Cc，則有A0CaRaRCUSCUq可見當A0足夠大時，輸出電壓與A0無關(guān)，只取決于輸入電荷q和反饋電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。 CF一般取值100-104pF。當A0足夠大時，有運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)A0對精度有影響，當頻率很高時，則及則可計算產(chǎn)生的誤差為由此得A0105。對線性集成運算放大器來說，這一要求是不難達到的。 例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc

9、=(100pF/m)100m=104pF,當要求1%時，則有計算誤差表達式當工作頻率很低時，分母中的電導1/Ra+(1+A0)/RF與電納jCaCc(1+A0)CF的值相當，電導就不可忽略。此時A0足夠大，則其幅值為當1/ RF = CF時可見這是截止頻率點的輸出電壓，增益下降3dB時對應的下限截止頻率為 USC與q間的相位誤差 可見壓電式傳感器配用電荷放大器時,其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。所以當給定工作頻帶下限截止頻率fL時,反饋電阻RF值也可確定。如當CF=1000pF,fL=0.16Hz時,則要求RF109。 當

10、A0足夠大時，有截止頻率四、壓電式傳感器的應用（一）壓電式加速度傳感器（二）粗糙度測量傳感器（三）壓電式壓力傳感器（四）壓電式流量計（五）集成壓電式傳感器（六）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用 當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運動方向21345縱向效應型加速度傳感器的截面圖（一） 壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種?？v向效應是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。

11、測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。qd33Fd33ma此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。 qd33Fd33ma連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負極集中在中間極上，其輸出電容C為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U等于單片電壓U，極板上電荷量q為單片電荷量q的兩倍，即圖(b)為串聯(lián)形式，正電荷集中在上

12、極板，負電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q等于單片電荷q，而輸出電壓U為單片電壓U的二倍，總電容C為單片電容C的一半，即+(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件+并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。粗糙度測量傳感器上圖為小型粗糙度測量儀的壓電傳感器，它采用中線制一次積分式，即傳感器沿被測表面往復運動一次，所得信號電壓經(jīng)放大和積分在表頭上指示出粗糙度的平均算術(shù)偏差值。這種量儀又稱為輪廓儀。測量時驅(qū)

13、動箱帶動傳感器沿被測表面滑行，觸針1靠自重及片簧4的彈力與工件接觸，感受被測表面的粗糙度而上下運動。通過針桿3把運動傳給壓電元件7。壓電元件尾部粘了一塊有機玻璃9，它插在件10的槽內(nèi)，槽內(nèi)充滿硅油。硅油是一種粘滯性很強的液體，當觸針1隨工件微觀輪廓快速運動時，液體摩擦很大，可以認為片9被夾緊在塑料塊10的槽內(nèi)，這時可把壓電元件7看成一懸臂梁。于是，懸臂梁一端上下運動，在其兩極便產(chǎn)生與工件表面粗糙度成正比的電信號。（二） 粗糙度測量傳感器（三） 壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3

14、、壓電晶片4、受壓膜片5及導電片6組成。當膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為 F作用于壓電片上的力；d11壓電系數(shù)；P壓強， ；S膜片的有效面積。123456p壓電式測壓傳感器原理圖 測壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有： 因為 ，所以電壓靈敏度也可表示為 U0壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容電荷靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度（四） 壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。

15、在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。 流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況（四）集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強

16、，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。 脈搏計照片 典型應用： 脈搏計數(shù)探測 按鍵鍵盤，觸摸鍵盤 振動、沖擊、碰撞報警 振動加速度測量 管道壓力波動 其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等 力敏元件主要性能指標：壓力范圍 1kPa頻率響應 11000Hz標準工作電壓 4.5V（DC）擴充工作電壓 315V(DC)擴充電阻 1k12k外形尺寸 輸出力敏元件地線R=2.2k 電源集成壓電傳感器連線電路OO（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用如果地面下有一條均勻的直管道某處O點為漏點，振動聲音從O點向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點放兩只傳感器，A、B距離為L（已知或可測），從A、B兩個傳感器接收的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時間差為 t=tA- tB=（LA- LB）/V （1）又 L =LA+LB （2）LABO點LALB地 面 1、檢測原理因為管道埋設在地下，看不到O