內(nèi)蒙古大學(xué)傳感器與檢測技術(shù)課件第5章壓電式傳感器

1、第5章 壓電式傳感器5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料15.2 壓電式傳感器的等效電路5.3 壓電式傳感器的測量電路35.4 壓電式傳感器的應(yīng)用42 概述 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)某些材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點(diǎn)，因此在各種動態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動的測量，以及聲學(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。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(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

2、的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖5-1所示。圖5-1 壓電效應(yīng)可逆性5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，

3、時間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料 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態(tài)特性。（3） 介電常數(shù)：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。 (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； 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。（5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從

4、而改善壓電傳感器的低頻特性。（6） 居里點(diǎn)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.1.1 石英晶體石英晶體化學(xué)式為SiO2（二氧化硅），是單晶體結(jié)構(gòu)它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(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。（a） （b） （c）圖5-2 石英晶體5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料圖5-2（a）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸，與x和z軸同時垂直

5、的軸y稱為機(jī)械軸。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)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料若從晶體上沿y方向切下一塊如圖5-2（c）所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力 時，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Qx，其大小為式中： x方向受力的壓電系數(shù)； 作用力。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力 ，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy，其大小為： 5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料式中： y軸方向受力的壓電系數(shù)， a、b晶體切片長度和厚度。電荷Qx和Qy的符號由所受力的性質(zhì)決定。5

6、.1 壓電效應(yīng)及壓電材料石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖5-3是一個單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。圖中“+” 代表 離子，“-” 代表氧離子圖5-3 石英晶體壓電模型5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料當(dāng)石英晶體未受外力作用時，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。此時正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3= 0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對位置也隨之變動。如圖5-3（b）

7、所示，此時正負(fù)電荷重心不再重合，即（P1+P2+P3）x 0 。在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體變形如圖5-3（c）所示，與圖5-3（b）情況相似，P1增大，P2、P3 減小。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。如果沿z軸方向施加作用力，因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力Fx、Fy的方向相反時，電荷的極性也隨之改變。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5

8、.1.2 壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。在無外電場作用時，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)。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而使材料得到極化。讓外電場強(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方向一致時，外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時的材料才具有壓電特性。如圖5-4。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，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

9、。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：（a）未極化 （b）電極化圖5-4 壓電陶瓷的極化5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料上式中：d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)；F 作用力。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。但極化處理后的壓電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

10、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。 常用壓電材料的性能見書中表5-1。5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料5.2 壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集等量的正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為:式中：A壓電片的面積；d壓電片的厚度； 空氣介電常數(shù)（其值為8.86 /cm）； 壓電材料的相對介電常數(shù)

11、。5.2 壓電式傳感器的等效電路壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。如圖5-5（a）所示，電容器上的電壓Ua、電荷量Q和電容量Ca三者關(guān)系為：由圖可知，只有在外電路負(fù)載無窮大，且內(nèi)部無漏電時，受力產(chǎn)生的電壓U才能長期保持不變；如果負(fù)載不是無窮大，則電路要以時間常數(shù)RLCe按指數(shù)規(guī)律放電。壓電傳感器也可以等效為一個電荷源于電容相并聯(lián)電路，如圖5-5（b）所示。（a）電荷源 （b）電壓源圖5-5 壓電傳感器的等效電路5.2 壓電式傳感器的等效電路壓電傳感器在實(shí)際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接，因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri，輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏

12、電阻Ra，這樣壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路，如圖5-6所示。（a）電壓源 （b）電荷源圖5-6 壓電傳感器的實(shí)際等效電路5.3 壓電式傳感器的測量電路 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，輸出能量較小。為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。5.3 壓電式傳感器的測量電路1電壓放大器（阻抗變換器）如圖5-6(a)，設(shè)電阻 ，電容 ，而壓電傳感器的開路電壓 ，若壓電元件受正

13、弦力 的作用，則其電壓為式中： 壓電元件輸出電壓幅值 ；d 壓電系數(shù)。由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為5.3 壓電式傳感器的測量電路 的幅值為輸入電壓和作用力之間相位差為在理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra的電阻值與前置放大器的輸入電阻Ri都為無限大，即 也無電荷泄漏，那么由式(5-8)可知，理想情況下輸入電壓幅值 為5.3 壓電式傳感器的測量電路上式表明前置放大器輸入電壓 與頻率無關(guān)。一般認(rèn)為/ 3時，就可以認(rèn)為 與無關(guān)， 表示測量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 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（=0）時，則前置放大器的輸入電壓等于零，因?yàn)殡姾蓵ㄟ^放大器

14、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)力測量。式（5-10）中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長度改變時，Cc也將改變，因而 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，否則將引入測量誤差。5.3 壓電式傳感器的測量電路圖5-7給出了一個電壓放大器的具體電路。它具有很高的輸入阻抗(1000M)和很低的輸出阻抗(100)，因此使用該阻抗變換器可將高阻抗的壓電傳感器與一般放大器匹配。圖5-7 電壓放大器5.3 壓電式傳感器的測量電路BG1為MOS場效應(yīng)管，做阻抗變換，R3100M； BG2管對輸入端形成負(fù)反饋，以進(jìn)一步提高輸入阻抗。R4既是BG1的源極接地電阻，

15、也是BG2的負(fù)載電阻，R4上的交變電壓通過C2反饋到場效應(yīng)管BG1的輸入端，使A點(diǎn)電位提高，保證較高的交流輸入阻抗。由BG1構(gòu)成的輸入極，其輸入阻抗為:引進(jìn)BG2，構(gòu)成第二級對第一級負(fù)反饋后，其輸入阻抗為:式中Au是BG1源極輸出器的電壓增益，其值接近1。5.3 壓電式傳感器的測量電路所以 可以提高到幾百到幾千兆歐。由BG1所構(gòu)成的源極輸出器，其輸出阻抗為式中 為場效應(yīng)管的跨導(dǎo)。電壓放大器的應(yīng)用具有一定的應(yīng)用限制，壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，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。不過由于固態(tài)電子器件和集成電路的迅速發(fā)展，微型電壓放大電路

16、可以和傳感器做成一體，這樣這一問題就可以得到克服，使它具有廣泛的應(yīng)用前景。5.3 壓電式傳感器的測量電路2電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個帶反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成,電荷放大器可用圖5-8所示等效電路，圖中K為運(yùn)算放大器增益， -K表示放大器的輸入與輸出反向。圖5-8 電荷放大器等效電路5.3 壓電式傳感器的測量電路由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，其輸出電壓 為:式中： 放大器輸出電壓； 反饋電容兩端電壓。通常A=104106，因此若滿足 時上式可表示為5.3 壓電式傳感器的測量電路由式（5-15）可見，電荷放大器的輸出電壓 與電纜電容Cc

17、無關(guān)，且與Q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。但電荷放大器的價格比電壓放大器高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也較困難。要注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，電壓放大器和電荷放大器都應(yīng)加過載放大保護(hù)電路，否則在傳感器過載時，會產(chǎn)生過高的輸出電壓。5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電元件是一類典型的力敏感元件，可用來測量最終能轉(zhuǎn)換成力的多種物理量。5.4.1 微振動檢測儀PV-96壓電加速度傳感器可用來檢測微振動，其電路原理圖如圖5-9所示。該電路由電荷放大器和電壓調(diào)整放大器組成。圖5-9 微振動檢測電路5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用第一級是電荷放大器，其低頻響應(yīng)由反饋電容C1和反饋電阻R1決定。低頻截止頻率為0.053Hz。R

18、F是過載保護(hù)電阻。第二級為輸出調(diào)整放大器，調(diào)整電位器W1可使其輸出約為50mV/gal (1gal=1cm/ )。在低頻檢測時，頻率愈低，閃變效應(yīng)的噪聲愈大,該電路的噪聲電平主要由電荷放大器的噪聲決定，為了降低噪聲，最有效的方法是減小電荷放大器的反饋電容。但是當(dāng)時間常數(shù)一定時，由于C1和R1呈反比關(guān)系，考慮到穩(wěn)定性，則反饋電容C1的減小應(yīng)適當(dāng)。5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用5.4.2 基于PVDF壓電膜傳感器的脈象儀由于PDVF(聚偏氟乙烯)壓電薄膜具有變力響應(yīng)靈敏度高、柔韌易與制備，可緊貼皮膚等特點(diǎn)，因此可用人手指端大小的壓電膜制成可感應(yīng)人體脈搏壓力波變化的脈搏傳感器。脈象儀的硬件組成如圖5-10所示：壓電薄膜線性電荷放大電路帶通濾波器和50Hz工頻陷波器電壓放大器處理器A/D圖5-10 脈象儀的