第7章 壓電式傳感器

第7章壓電式傳感器（2學(xué)時(shí)）本章主要內(nèi)容壓電式傳感器的基本原理壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路壓電式傳感器的應(yīng)用教學(xué)要求及重點(diǎn)、難點(diǎn)一.教學(xué)要求了解壓電式傳感器基本原理，熟悉壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路了解壓電式傳感器的應(yīng)用重點(diǎn)、難點(diǎn)壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路概述壓電式傳感器是利用某些電介質(zhì)材料（如石英晶體）具有壓電效應(yīng)現(xiàn)象制成的。有些電介質(zhì)材料在一定方向上受到外力（壓力或拉力）作用而變形時(shí)，在其表面上產(chǎn)生電荷從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非電量的檢測(cè)。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬等特點(diǎn)，適用于對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，廣泛應(yīng)用在力學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、宇航等方面。壓電式傳感器是一種無(wú)源傳感器，大多數(shù)是利用正向壓電效應(yīng)制成的。外力去掉后，又回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱(chēng)為正向壓電效應(yīng)，簡(jiǎn)稱(chēng)壓電效應(yīng)。當(dāng)然這種電介質(zhì)材料也具有逆壓電效應(yīng)，即在相應(yīng)表面上施加電壓后，電介質(zhì)材料會(huì)發(fā)生機(jī)械變形；去掉電壓后，變形立即消失，它將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。逆壓電效應(yīng)也稱(chēng)電致伸縮效應(yīng)。壓電式傳感器的基本原理一.壓電效應(yīng)與壓電材料壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用產(chǎn)生變形時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)分為正向壓電效應(yīng)和逆向壓電效應(yīng)。某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘油饬Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地會(huì)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新

恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)壓電效應(yīng)。當(dāng)外力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生一定的機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆向壓電效應(yīng)，也稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng)。圖6.1所示壓電元件受力變形后的幾種基本形式。圖11壓電轉(zhuǎn)換元件受力變瑤的幾種基生形式厚度曼蛍Sh 辰庚受圧樂(lè)fM體積受壓型w<d）厚嵐切變型；Z平面切變型壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱(chēng)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，具有一定的可逆性，如圖4.71所示。壓電材料可以分為三類(lèi)：壓電（石英）晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。機(jī)械加<=>圧電元件 電出圖4?了1壓電效應(yīng)的可蹩忡壓電材料常用晶體材料，但自然界中多數(shù)晶體壓電效應(yīng)非常微弱，很難滿(mǎn)足實(shí)際檢測(cè)的需要，因而沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。目前能夠廣泛使用的壓電材料只有石英晶體和人工制造的壓電陶瓷、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料，這些材料都具有良好的壓電效應(yīng)。壓電材料的主要特性指標(biāo)壓電材料是壓電式傳感器的敏感材料，主要特性參數(shù)有：（1）壓電系數(shù)dmn；（2）機(jī)械性能（剛度H）；（3）電性能（介電常數(shù)8和電阻率）；（4）；（5）居里點(diǎn)。壓電系數(shù)dmn：它是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，一般應(yīng)具有較大的壓電系數(shù)。m表示產(chǎn)生電荷面的軸向，n表示施加作用力的軸向。機(jī)械性能（剛度H）：作為受力元件，通常希望其具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較大的剛度，以獲得較寬的線(xiàn)性范圍和較大的固有頻率。電性能：良好的壓電材料應(yīng)該具有大的介電常數(shù)和較高的電阻率，以減小電荷的泄漏，從而獲得良好的低頻特性。對(duì)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。機(jī)械耦合系數(shù)：是指在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)-電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。居里點(diǎn)溫度：最大安全溫度，它是指壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度。時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不應(yīng)隨時(shí)間蛻變。二．工作原理壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的正向壓電效應(yīng)制成。石英晶體是最常用晶體之一，現(xiàn)以石英晶體為例。1.石英晶體壓電效應(yīng)石英晶體是典型的壓電晶體，化學(xué)式為SiO2，為單晶體結(jié)構(gòu)。圖4.72(a)所示的是天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形示意圖。它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的(各向異性體)，可以用三個(gè)相互垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸z稱(chēng)為光軸(或稱(chēng)為中性軸)，經(jīng)過(guò)六面體棱線(xiàn)并垂直于光軸的x稱(chēng)為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱(chēng)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(chēng)為縱向壓電效應(yīng)，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)。而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。若從晶體上沿y方向切下一塊如圖4.72(c)所示的晶片，當(dāng)沿電軸X方向施加作用力F時(shí)，則在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生X電荷，其大小為: qx=d11Fx式中d]]——x方向受力的壓電系數(shù)。若在同一切片上，當(dāng)沿機(jī)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q,其大小為： qdaFy y12by由此可見(jiàn)，沿機(jī)械軸y方向施加作用力時(shí)，產(chǎn)生的電荷量與晶片的幾何尺寸有關(guān)。式中d]2—y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對(duì)稱(chēng)性，有d]2=-d]]；a、b—晶體切片的長(zhǎng)度和厚度，如圖4.72(c)所示。電荷qx和qy的符號(hào)由受壓力還是受拉力決定，如圖6.3所示。優(yōu)晶體外形 (b)切割方向 (<=｝優(yōu)晶體外形 (b)切割方向 (<=｝晶片圖4."石莫晶沐U). ⑹. 圄圖<5-3晶片生電荷極性與受力方向關(guān)系示爺圈2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇(電偶極矩)，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中是雜亂分布的，各電疇的極化效應(yīng)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)，如圖4.74(a)所示。加直流電場(chǎng)后，使極性轉(zhuǎn)到接近電場(chǎng)的方向，當(dāng)電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本保持不變。如圖4.74(b)。

0) 時(shí)的衙曲0)電柚化后的情貳電場(chǎng)方向0) 時(shí)的衙曲0)電柚化后的情貳電場(chǎng)方向圖474壓電陶瓷的極化通常將壓電陶瓷的極化方向定義為z軸，在垂直于z軸的平面上的任何直線(xiàn)都可以取作X軸或y軸，對(duì)于x軸或y軸，其壓電效應(yīng)是等效的,這是壓電陶瓷與石英晶體不同的地方。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，就是壓電陶瓷的正向壓電效應(yīng)。電荷面垂直于Z軸,電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系：q=d33F式中d33—壓電陶瓷的壓電系數(shù)，F(xiàn)—作用力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1：1摩爾分子比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115°C，使用溫度不超過(guò)70°C，溫度穩(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，它是鈦酸鉛(PbTiO2)和鋯酸鉛(PbZrO3)組成的(Pb(ZrTi)O3)。居里點(diǎn)溫度在300C以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。缺點(diǎn)：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(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。3.壓電元件的連接方式為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用將兩片(或兩片以上)同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。如圖4.76所示，從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。圖4.76(a)是兩個(gè)壓電片的負(fù)端粘結(jié)在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負(fù)極，正電極在兩邊的電極上。從電路上看，這是并聯(lián)接法，類(lèi)似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。圖4.76(b)是兩壓電片不同極性端粘結(jié)在一起，從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的1/2，輸出電壓增大了1倍。所以在上述兩種接法中：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)量緩慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。q,=2q,U,=U,C'=2C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)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。q,=q,U,=2U,C，=C/2

<a)相同桂性端詁皓 (b｝車(chē)同根性城粘結(jié)圖4.76伍遇元件連接共丈圖(a)是并聯(lián)，圖(b)是串聯(lián)壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一．壓電元件的等效電路主要有電壓等效電路和電荷等效電路兩種形式，形式不同，作用等效。在外力作用下，壓電晶片的兩個(gè)表面產(chǎn)生大小相等、方向相反的電荷，相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器。因此，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器，同時(shí)它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容器的兩個(gè)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；￡—壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；r￡Q一真空的介電常數(shù)，￡0=8.85xlO-i2F/m。因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容Ca相串聯(lián)的電壓源。如圖4.77(a)所示，電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者之間的關(guān)系為：U2aCa㈤電壓源楷型 a㈤電壓源楷型 ①電荷姬枕型[14.77壓電元件的需效電踣壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源，如圖4.77(b)所示。當(dāng)壓電傳感器接入測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路后，必須需考慮后續(xù)測(cè)量電路的輸入電容Ci，連接電纜的寄生等效電容cc,以及后續(xù)電路(如放大器)的輸入電阻R.和壓電傳感器自身的泄漏電阻R。所以，實(shí)際壓電傳感ia器在測(cè)量系統(tǒng)中的等效電路如圖4.78所示?！?——1— O9札]cf O二．壓電式傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)換電路由于電壓放大器中的輸出電壓與電纜電容有關(guān),故目前采用電荷放大器。由于壓電傳感器輸出信號(hào)很小,本身的內(nèi)阻抗很大,輸出阻抗很高,因此給它的后續(xù)測(cè)量電路提出了很高的要求。為了解決這一矛盾,通常需要將傳感器的輸出接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。經(jīng)過(guò)阻抗變換后再送入普通的放大器進(jìn)行放大、檢波等處理。前置放大器的作用是：一方面把傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，另一方面是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。從上面實(shí)際壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的等效電路可以看出，如果使用電壓放大器，其輸出電壓與電容C=C+C.+C密切相關(guān)，雖然C和C.都很小，但Caicaic會(huì)隨連接電纜的長(zhǎng)度與形狀而變化，從而會(huì)給測(cè)量帶來(lái)不穩(wěn)定因素，影響傳感器的靈敏度。因此，現(xiàn)在通常采用性能穩(wěn)定的電荷放大器。圖4.79所示的是壓電傳感器與電荷放大器組成的檢測(cè)電路的等效電路。電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，它由一個(gè)帶有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于傳感器的漏電阻Ra和電荷放大器的輸入電阻R很大，可以看作開(kāi)路，而運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，在.其輸入端幾乎沒(méi)有分流，故可略去Ra和R.并聯(lián)電阻，等效電路如圖.4.79所示。由圖可得八h(G+Q-邙一由運(yùn)算放大器基本特性：U~KUit可求出電荷放大器的輸出電壓為5飛+―1+g通常KP04"吧因此.當(dāng)滿(mǎn)足(1+K)G?G+G：+G時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為可見(jiàn)，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓U僅取決于輸入電荷與0反饋電容Cf,與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與電荷q成正比，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。為了得到必要的測(cè)量精度，要求反饋電容Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性都很好。在實(shí)際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇的，范圍一般為102pF?104pF。如果將Cf選擇為一個(gè)高精度和高穩(wěn)定性的電容，則輸出電壓將僅僅取決于電荷量q的大小。壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用一．壓電元件常用的結(jié)構(gòu)形式由于壓電片上的電荷是有限的，因此有串聯(lián)和并聯(lián)兩種接法。二．壓電式傳感器的應(yīng)用1.壓電式測(cè)力傳感器圖4.80所示的是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1mm?0.5mm，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)dll實(shí)現(xiàn)力一電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為①8x1mm。該傳感器的

測(cè)力范圍為0N?50N,最小分辨率為0.01N,固有頻率為50kHz?60kHz,整個(gè)傳感器重為10g。電極座七英晶片l：Hffi4.80電極座七英晶片l：Hffi4.80斥力丈單向旖力件感龍結(jié)構(gòu)圖2.壓電式加速度傳感器圖4.81所示的是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、機(jī)座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi),并由螺栓加以固定。當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí),壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用,根據(jù)牛頓第二定律,此慣性力是加速度a的函數(shù)，即F=ma圖401壓電式打注度傳感雄結(jié)拘圖圖401壓電式打注度傳感雄結(jié)拘圖片-夕卜殼崗H:塊機(jī)座圧電元仲式中F——質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力;m 質(zhì)量塊的質(zhì)量；a 力口速度。此時(shí)慣性力F作用