壓電式傳感器

壓電式傳感器科技名詞定義中文名稱：壓電式傳感器英文名稱：piezoelectrictransducer定義：將被測量變化轉換成由于材料受機械力產(chǎn)生的靜電電荷或電壓變化的傳感器。ra* >4LtTQT W法叩?■罕尋KHf| ■a1?SM，1驅壓電式傳感器基于壓電效應的傳感器。是一種自發(fā)電式和機電轉換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式傳感器用于測量力和能變換為力的非電物理量。它的優(yōu)點是頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結構簡單、工作可靠和重量輕等。缺點是某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。目錄壓電效應壓電材料測量電路壓電材料常用的壓電材料壓電材料的主要特性參數(shù)展開壓電效應壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。怖《（片 理匹獨藺折袒肘氣、\r>囹3耶對式莎泅蛾電動代劇蓋慰段壓電式傳感器正壓電效應是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時內部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式（見圖）。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應。壓電材料它可分為壓電單晶、壓電多晶和有機壓電材料。壓電式傳感器中用得最多的是屬于壓電多晶的各類壓電陶瓷和壓電單晶中的石英晶體。其他壓電單晶還有適用于高溫輻射環(huán)境的鈮酸鋰以及鉭酸鋰、鎵酸鋰、錯酸鉍等。壓電陶瓷有屬于二元系的鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛系列陶瓷、鈮酸鹽系列陶瓷和屬于三元系的鈮鎂酸鉛陶瓷。壓電陶瓷的優(yōu)點是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點是具有熱釋電性，會對力學量測量造成干擾。有機壓電材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龍等十余種高分子材料。有機壓電材料可大量生產(chǎn)和制成較大的面積，它與空氣的聲阻匹配具有獨特的優(yōu)越性,是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?0年代以來發(fā)現(xiàn)了同時具有半導體特性和壓電特性的晶體，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鈣等。利用這種材料可以制成集敏感元件和電子線路于一體的新型壓電傳感器，很有發(fā)展前途。壓電式傳感器大致可以分為4種，即：壓電式測力傳感器，壓電式壓力傳感器，壓電式加速度傳感器及高分子材料壓力傳感器。測量電路由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常應把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號輸入到指示儀表或記錄器中。前置放大器的作用有兩點：其一是將傳感器的高抗輸出變換為低阻抗輸出；其二是放大傳感器輸出的微弱電信號。前置放大器電路有兩種形式：一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計，故而電荷放大器應用日益廣泛。壓電材料明顯呈現(xiàn)壓電效應的敏感功能材料叫壓電材料。常用的壓電材料壓電單晶體，如石英、酒石酸鉀鈉等；多晶壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，又稱為壓電陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯（PVDF）作為一種新型的高分子物性型傳感材料得到廣泛的應用。壓電材料的主要特性參數(shù)（1） 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，它直接關系到壓電輸出的靈敏度。（2） 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） 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；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4） 在壓電效應中，機械耦合系數(shù)等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根;。（5） 衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數(shù)。（6） 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。（7） 壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點溫度。壓電轉換壓電關系表達式：Q=d*F，其中d：壓電常數(shù)更一般表達式：電荷密度q ，（用單位面積受力表示）其中：i=1,2,3表示晶體極化方向，指的是與產(chǎn)生電荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1?3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向如q1表示法向矢量為x的兩個面產(chǎn)生的電荷受x向（拉）力作用后在z方向產(chǎn)生電荷的表達式:受z向力作用后在z方向產(chǎn)生電荷的表達式：各表達式見圖片：■言ft美扁出直戒二9&.FJ：壓也弟能史--笛盅遙氏：■段引炭.II岳PtfcU'*耕.JI外反島尸土電舌■ 本土：II工電血登方4粘?1-'A.tx-jfij*力-L?5由.T的,Fi也幣法詢羌it為*的所中布事盅對電疵饑肉14*1由「E!存府.^擊詢尸土圮卅E札潔/：孔?".『.?隹b血flflJil峪恩工寸由『也久新的總埠戒：n?孔隊石英晶體結構石英(SiO2)晶體結晶形狀為六角形晶柱。兩端為一對稱的棱錐，六棱柱是它的基本組織,縱軸z-z稱作光軸,通過六角棱線而垂直于光軸的軸線x-x稱作電軸，垂直于棱面的軸線y-y稱作機械軸。如果從晶體中切下一個平行六面體，并使其晶面分別平行于z-z、y-y、x-x軸線，這個晶片在正常狀態(tài)下不呈現(xiàn)電性。當施加外力時，將沿x-x方向形成電場，其電荷分布在垂直于x-x軸的平面上石英的壓電效應電荷產(chǎn)生機理石英的化學式為SiO2，在一個晶體單元中，有三個硅離子和六個氧離子，后者是成對的，所以一個和兩個交替排列。當沒有力作用時，硅離子和氧離子在垂直于晶體Z軸的XY平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，如上圖a示。這時正負離子正好分布在正六邊形的頂角上，呈現(xiàn)電中性。如果沿X方向壓縮，如上圖b所示，則硅離子1被擠入氧離子2和6之間，而氧離子4被擠入硅離子3和5之間，結果表面A上呈現(xiàn)負電荷，而在表面B上呈現(xiàn)正電荷。這一現(xiàn)象稱為縱向壓電效應。若沿Y方向壓縮，如上圖c所示，硅離子3和氧離子2，以及硅離子5和氧離子6都向內移動同樣的數(shù)值，故在電極C和D上不呈現(xiàn)電荷，而在表面A和B上，即在X軸的端面上又呈現(xiàn)電荷，但與圖b的極性正好相反，這時稱為橫向壓電效應。從研究的模型同樣可以看出：如果是使其伸長而不是壓縮時，則電荷的極性正好相反?？傊⒌葐尉w材料是各向異性的物體，在X或Y軸向施力時，在與X軸垂直的面上產(chǎn)生電荷，電場方向與X軸平行，在Z軸方向施力時，不能產(chǎn)生壓電效應。石英晶體的壓電機理分析石英的晶體結構為六方晶體系，化學式為SiO2。定義:x：兩平行柱面內夾角等分線，垂直此軸壓電效應最強稱為電軸。y：垂直于平行柱面，在電場作用下變形最大，稱為機械軸。z:無壓電效應，中心軸，也稱光軸。當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，其大小為Qx=dllFx0式中:dll——x方向受力的壓電系數(shù)Fx 作用力若在同一切片上，沿機械軸y方向施加作用力Fy,則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy,其大小為Qy=d12Fya/b式中:d12——y軸方向受力的壓電系數(shù)d12=-d11a、b——晶體切片長度和厚度（1） 當石英晶體未受外力作用時，正、負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,P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。（2） 當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，晶體沿x方向將產(chǎn)生壓縮變形，正負電荷重心不再重合，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。（3） 當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向為負電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。（4） 如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同,所以正負電荷重心保持重合，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。壓電陶瓷壓電晶體與壓電陶瓷的比較：相同點：都是具有壓電效應的壓電材料。不同點：石英的優(yōu)點是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。極化后的壓電陶瓷，當受外力變形后，由于電極矩的重新定位而產(chǎn)生電荷，壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點也低。[1]m壓電式傳感器的等效電路電容效應等效原理1） 壓電式傳感器結構在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構成兩個電極，如圖所示。2） 等效電容量當壓電傳感器受到沿其敏感軸向的外力作用時，就在兩電極上產(chǎn)生極性相反的電荷，因此它相當于一個電荷源（靜電發(fā)生器）。由于壓電晶體是絕緣體，當它的兩極表面聚集電荷時，它又相當于一個電容器，其電容量為沿x軸方向加力產(chǎn)生縱向壓電效應，沿y軸加力產(chǎn)生橫向壓電效應，沿相對兩平面加力產(chǎn)生切向壓電效應。3） 等效電壓當壓電晶體受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正、負電荷Q，可求出其開路電壓（負載電阻為無窮大時）壓電式傳感器的等效電路1） 、壓電式傳感器既可等效為電荷源又可等效為電容器，其等效電路可認為是二者的并聯(lián)，如下圖（a）所示；也可認為是一個電壓源和一個電容器串聯(lián)，如下圖（b）所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻.2） 、壓電式傳感器測試系統(tǒng)等效電路壓電式傳感器工作時，需與二次儀表配套使用，此時的等效電路如下圖所示。圖中Cc為傳感器電纜電容，Ri為放大器輸入電阻，Ci為輸入電容。壓電元件的串并聯(lián)單片壓電晶片難以產(chǎn)生足夠的表面電荷，在壓電式傳感器中常采用兩片或兩片以上壓電晶片組合在一起使用。由于壓電晶體是有極性的，因而兩片壓電晶體構成的傳感器有兩種接法：串聯(lián)和并聯(lián).壓電式傳感器的應用壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力-電轉換的傳感器，在拉、壓場合，通常較多采用雙片或多片石英晶體作為壓電元件。其剛度大，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好。當采用大時間常數(shù)的電荷放大器時，可測量準靜態(tài)力。按測力狀態(tài)分，有單向、雙向和三向傳感器，它們在結構上基本一樣。圖所示為壓電式單向測力傳感器的結構圖。傳感器用于機床動態(tài)切削力的測量。絕緣套用來絕緣和定位?；鶅韧獾酌鎸ζ渲行木€的垂直度、上蓋及晶片、電極的上下底面的平行度與表面光潔度都有極嚴格