壓電式傳感器介紹與學(xué)習(xí)

1、關(guān)于壓電式傳感器介紹和學(xué)習(xí)第一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它可以測量最終能變換為力的各種物理量，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。近年來壓電測試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。 第二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 壓電效應(yīng) 某些晶體，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變，

2、這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。 第三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 壓電材料一、石英晶體 石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。圖52是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有三個(gè)晶軸：Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；X軸又稱電軸，它通過六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸；y軸又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。 a) b) c)圖52 石英晶體的外形、坐標(biāo)軸及切片第四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 從晶體上沿XYZ軸線切下一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。當(dāng)沿

3、著X軸對(duì)壓電晶片施加力時(shí)，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。沿著y軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)沿著Z軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為 qxxdxxFx (5-1) 式中，qxx為垂直于X 軸平面上的電荷，dxx為壓電系數(shù)，下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；Fx為沿晶軸X方向施加的壓力。 由上式看出，當(dāng)晶片受到X 向的壓力作用時(shí)，qxx 與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。如果作用力Fx改為拉力時(shí)，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，

4、但極性相反。第六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為 (5-2) 式中，qXY為了軸向施加壓力，在垂直于X 軸平面上的電荷 dXY為壓電系數(shù)，Y 軸向施加壓力，在垂直于X 軸平面上產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電系數(shù)；FY為沿晶軸Y方向施加的壓力。 第七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)石英晶體的對(duì)稱條件dXX=-dXY，所以 由上式可以看出，沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的，式中的負(fù)號(hào)表示沿Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加壓力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。 第八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如

5、下圖所示。 a) b) c) d)晶片受力方向與電荷極性的關(guān)系 第九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 a) b) c)圖53 石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體在機(jī)械力的作用下為什么會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷可以解釋如下： 石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，如圖53a所示。當(dāng)作用力為零時(shí)，正負(fù)電荷相互平衡，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。 第十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 如果在X 軸方向施加壓力，如圖53b所示，則氧離子擠入硅離子2和6間，而硅離子4擠入氧離子3和5之間，結(jié)果在表面A上出現(xiàn)正電荷，而在B表面上出現(xiàn)負(fù)電荷。如果所受的力為拉力時(shí)

6、，在表面A和B上的電荷極性就與前面的情況正好相反。 如果沿y軸方向施加壓力時(shí)，則在表面A和B上呈現(xiàn)的極性如圖53c所示。施加拉力時(shí)，電荷的極性與它相反。 若沿Z 軸方向施加力的作用時(shí)，由于硅離子和氧離子是對(duì)稱的平移，故在表面沒有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。a) b) c) 圖53 石英晶體的壓電效應(yīng)第十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 二、壓電陶瓷 壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結(jié)構(gòu)的壓電材料。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無外電場作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中無規(guī)則排列，它們的極化效應(yīng)互相抵消。因此，在原始狀態(tài)壓電陶瓷呈現(xiàn)中性，不具有壓電效應(yīng)。 當(dāng)在一定的溫

7、度條件下，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，即以強(qiáng)電場使電疇規(guī)則排列，這時(shí)壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，見圖54所示。 a)極化前 b)極化 c)極化后 圖54 壓電陶瓷的極化過程 第十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月a) b)壓電陶瓷的壓電原理 壓電陶瓷在受到如上圖（b）所示的作用力F 時(shí)，在垂直于Z 軸的上下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，即 式中，AX為極化面面積；AY為受力面面積。 第十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、 壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu)1、壓電材料選取合適的壓電材料是壓電式傳感器的關(guān)鍵，一般應(yīng)考慮以下主要特性進(jìn)行

8、選擇：1) 具有較大的壓電常數(shù)。2) 壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動(dòng)頻率。3) 具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響，4) 具有較高的居里點(diǎn)。所謂居里點(diǎn)是指壓電性能破壞時(shí)的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。居里點(diǎn)高可以得到較寬的工作溫度范圍。5) 壓電材料的壓電特性幣隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。（1）石英晶體 石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理+化學(xué)性質(zhì)幾乎與天然石英晶體無多大區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電、系數(shù)不隨溫度而變化。石英晶體的居里點(diǎn)為573，即到573時(shí)，它將完全喪失壓電性質(zhì)

9、。它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能，沒有熱釋電效應(yīng)，但靈敏度很低，介電常數(shù)小，因此逐漸被其他壓電材料所代替。第十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）水溶性壓電晶體 這類壓電晶體有酒石酸鉀鈉(NaKC4H4O64H20)、硫酸鋰(Li2SO4H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。水溶性壓電晶體具有較高的壓電靈敏度和介電常數(shù)，但易于受潮，機(jī)械強(qiáng)度也較低，只適用于室溫和濕度低的環(huán)境下。（3 ）鈮酸鋰晶體 鈮酸鋰是一種透明單晶，熔點(diǎn)為1250，居里點(diǎn)為1210。它具有良好的壓電性能和時(shí)間穩(wěn)定性，在耐高溫傳感器上有廣泛的前途。（4） 壓電陶瓷這是一種應(yīng)用最普遍的壓電材料，壓電陶瓷具有燒

10、制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點(diǎn)。1) 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高溫下合成的。具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)。但它的居里點(diǎn)較低，為120，此外機(jī)械強(qiáng)度不如石英。2) 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT) 鋯鈦酸鉛是PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb(ZrTi)O2。它具有較高的壓電系數(shù)和居里點(diǎn)(300以上)。3) 鈮酸鹽系壓電陶瓷姐鈮酸鉛具有很高的居里點(diǎn)和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點(diǎn)為435C，常用于水聲傳感器中。第十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 4) 鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN) 這是一種由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZ

11、rO3組成的三元系陶瓷。它具有較高的壓 電系數(shù)和居里點(diǎn)，能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。（5） 壓電半導(dǎo)體 有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又同時(shí)具有壓電性能，如ZnS、CaS、GaAs等。：因此既可利用它的壓電特性研制傳感器，又可利用半導(dǎo)體特性以微屯子技術(shù)制成電子器件。兩者結(jié)合起來，就出現(xiàn)了集轉(zhuǎn)換元件和電子線路為一體的新型傳感器，它的前途是非常遠(yuǎn)大的。（6） 高分子壓電材料 某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂PMG等。這是一種柔軟的

12、壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。 如果將壓電陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子壓電陶瓷薄膜，它既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)，是一種很有希望的壓電材料。2、壓電元件的常用結(jié)構(gòu)型式 在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如下圖所示。圖a為并聯(lián)接法，其輸出電容C為單片的n倍，即C=nC，輸出電壓U=U，極板上的電荷量Q為單片電荷量的n倍，即Q=nQ。圖中b為串聯(lián)接法，這時(shí)有QQ，U= nU，C=C/n。 第十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月a) b) 圖： 壓電元件的串并聯(lián) 在以上兩種聯(lián)

13、接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號(hào)，并以電荷量作為輸出的場合。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。 壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，這樣可以保證在作用力變化時(shí)，壓電片始終受到壓力，同時(shí)也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系。 第十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 壓電式傳感器測量電路一、壓電式傳感器的等效電路 壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為 (5-4)式中：0為真空介電

14、常數(shù)；為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；d 為壓電元件的厚度；A 為壓電元件極板面積。 第十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖55a所示，也可以等效為個(gè)電壓源，如圖55b所示。 a)電荷源 b)電壓源 圖55 壓電傳感器的等效電路 壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。圖56畫出了壓電傳感器完整的等效電路。 圖56 壓電傳感器實(shí)際的等效電路 第十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2008-9-26第二十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、壓

15、電式傳感器的測量電路 壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號(hào)微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。 壓電傳感器要求測量電路的前級(jí)輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)用處： 一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出； 二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。 第二十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月（一） 電壓放大器（阻抗變換器） a) b)圖57壓電傳感器接電壓放大器的等效電路 壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如圖57a所示。圖b是簡化后的等效電路，其中，ui為放大器輸入電壓；C = CC+Ci； ；ua=Q/Ca。第二十二張，PPT共三十

16、三頁，創(chuàng)作于2022年6月 a) b)圖57壓電傳感器接電壓放大器的等效電路 如果壓電傳感器受力為F = Fmsint 則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為 (56) 式中 Um 壓電元件輸出電壓幅值UmdFm/Ca d 壓電系數(shù)。第二十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 a) b)圖57壓電傳感器接電壓放大器的等效電路而在放大器輸入端形成的電壓為 (57)第二十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 Ui的幅值Uim為 (58)當(dāng) 1時(shí)，放大器的輸入電壓為由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與被測頻率無關(guān)，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時(shí)，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生

17、變化。在設(shè)計(jì)時(shí)，通常把電纜長度定為一常數(shù)，使用時(shí)如要改變電纜長度，則必須重新校正電壓靈敏度值。第二十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。圖58是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中Cf ,為放大器的反饋電容，其余符號(hào)的意義與電壓放大器相同。（二）電荷放大器圖58 電荷放大器等效電路第二十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為Qi=Q-Qf ，而式中，A為開環(huán)放大系數(shù)。所以有 故放大器的輸出電壓為 當(dāng)A1，而(1+

18、A)Cf 時(shí)，放大器輸出電壓可以表示為 （5-13）（5-12）第二十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 由式中可以看出，由于引入了電容負(fù)反饋，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量及放大器的反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素對(duì)靈敏度的影響可以忽略不計(jì)。電荷放大器的靈敏度為 (513) 放大器的輸出靈敏度取決于Cf。在實(shí)際電路中，是采用切換運(yùn)算放大器負(fù)反饋電容Cf的辦法來調(diào)節(jié)靈敏度的。Cf越小則放大器的靈敏度越高。 為了放大器的工作穩(wěn)定，減小零漂，在反饋電容Cf兩端并聯(lián)了一反饋電阻，形成直流負(fù)反饋，用以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)。第二十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 6.4 壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動(dòng)等許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動(dòng)傳感器等等。 一、壓電式測力傳感器 右圖是一種利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，將“力”轉(zhuǎn)換成“電荷”并通過二次儀表轉(zhuǎn)換成電壓的壓電式力傳感器。它具有氣密性好、硬度高、剛度大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。目前，測力傳感器已組成各種錘頭（鋼、鋁、尼龍、橡膠）型測力錘，可以測量動(dòng)態(tài)力、準(zhǔn)靜態(tài)力