第三節(jié)發(fā)電型傳感器-2-壓電

第三章信號的獲取第三節(jié)發(fā)電型傳感器一、磁電式傳感器二、壓電式傳感器三、熱電偶傳感器二、壓電式傳感器某些晶體電介質(zhì)，施加一定方向的外力使之變形，其表面產(chǎn)生電荷；外力去除后，介質(zhì)表面又回到不帶電狀態(tài)

——正壓電效應(yīng)對其表面施以電場，則介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形

——逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)具有極性外加作用力從壓力變?yōu)槔?，介質(zhì)表面上產(chǎn)生的電荷會改變符號1.基本原理具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料壓電晶體，即：天然的單晶體，如天然石英晶體等壓電陶瓷，即：人工制造的多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(簡稱PZT)等有機(jī)聚合物的鐵電體加工而成的壓電薄膜是一種柔性薄膜壓電新材料，常用的有：聚偏氟乙烯(PVF2)等

適于特殊表面形狀上的測力，是一種很有前途的壓電材料天然晶體性能穩(wěn)定、機(jī)械性能好；人造晶體的靈敏度較高

應(yīng)用領(lǐng)域不同壓電陶瓷和壓電薄膜等人造壓電材料需作極化處理后才具有壓電性能

人造壓電材料在高壓電場下放置數(shù)小時，使內(nèi)部晶體整齊排列只有通過極化處理，這種材料才能實(shí)際應(yīng)用天然石英晶體的結(jié)晶體是一種六角形晶柱三根軸線。

(1)光軸：縱軸線oz(2)電軸：通過六角棱線而與光軸垂直的軸線ox(3)機(jī)軸：垂直于棱面和光軸的軸線oy從石英晶體內(nèi)取出一片長方體晶體片

其各棱邊與各軸平行

天然石英晶體的結(jié)晶體受力方向不同，引起壓電晶體切片的不同變形，可在不同表面上測得電荷實(shí)用壓電效應(yīng)有三種類型(見上圖)

虛線表示壓電晶體切片的原始形狀

實(shí)線表示壓電晶體切片的受力變形后的形狀圖(a)是縱向壓電效應(yīng)，壓電片在x方向上受正向應(yīng)力

變形后在垂直于x方向的平面上產(chǎn)生電荷圖(b)是橫向壓電效應(yīng)，壓電片在y方向上受正向應(yīng)力

則它還在垂直于x方向的平面上產(chǎn)生電荷圖(c)是切向壓電效應(yīng)，壓電片在y方向上受切向應(yīng)力

則在垂直于x方向的平面上產(chǎn)生電荷壓電片在某特定平面上所產(chǎn)生的電荷量可由下式?jīng)Q定式中：q——在某特定面上產(chǎn)生的電荷量；

D——壓電常數(shù)，與壓電片材料、切片方向以及受力方向及性質(zhì)(正應(yīng)力或切應(yīng)力)、在何平面上測量電荷等因素有關(guān)(有專用表格可查找)；

K——壓電片的剛度；

δ——壓電片的變形量。石英晶體受力后在表面上產(chǎn)生電荷，其機(jī)理可用晶胞模型說明石英晶體是一種二氧化硅(SiO2)結(jié)晶體(見上圖)該圖是由z方向觀察的，圖中的大圓是硅原子，小圓為氧原子，因硅原子帶4個單位正電荷，氧原子帶2個單位負(fù)電荷，各原子的電荷平衡，整個晶胞呈中性，如圖(b)所示模型簡化后，讓每個氧原子帶4個單位負(fù)電荷，得到圖中(b)的晶胞模型，其各方向?qū)ΨQ在x軸方向上施加壓力，使晶胞變形(圖c)，帶正電荷的硅原子1與帶負(fù)電荷的氧原子4之間距離變小，氧原子2、6與硅原子3、5更接近兩表面，原子間電場不平衡，使沿x軸方向改變距離的兩種原子兩端出現(xiàn)極性相反的游離電荷——縱向壓電效應(yīng)在y軸方向上施加壓力(見圖d)，硅原子3、5和氧原子2、6皆被壓入在y軸兩端電場相對平衡，y軸兩端沒有游離電荷，在x方向兩端電場失去平衡而產(chǎn)生電荷——橫向壓電效應(yīng)應(yīng)用壓電晶體受力變形產(chǎn)生表面電荷的原理，可以做成兩種類型的傳感器右圖是壓電式力傳感器的結(jié)構(gòu)圖為提高傳感器的靈敏度往往采用兩片壓電晶體片對放被測力作用在彈性頂蓋上，直接傳遞到壓電片上2．壓電傳感器壓電片受力變形產(chǎn)生電荷，由引線輸出輸出的電荷大小反映了作用力數(shù)值右圖是三向力傳感器，它可分別測出x，y，z三個方向分量的合成力內(nèi)部含有感知三個方向力的壓電片元件(圖a)每一方向有兩片敏感壓電片為了能分別感知3個方向的分力，三組壓電片利用了兩種不同的壓電效應(yīng)利用橫向或縱向壓電效應(yīng)感受z方向正壓力利用剪切壓電效應(yīng)感受x和y方向側(cè)向壓力三對壓電片電荷分別反映三個方向力的分量2．壓電傳感器壓電晶體在受力變形后所產(chǎn)生的電荷量極其微弱壓電片本身的內(nèi)阻很大，壓電片輸出的功率極為微弱后續(xù)放大電路主要有兩個方面的特殊要求：

高靈敏度高輸入阻抗只有滿足這些要求，才能把微弱的電荷信號測量出來現(xiàn)在采用下列兩種形式：

電壓放大器電荷放大器3.電荷的測量為了有效集中電荷，在壓電晶體片兩個工作表面鍍覆薄金屬層(圖a)

壓電晶體片接入電路，既是一個電荷源(q)，又是一個小電容器(Ca)(圖b)

壓電片至放大器之間的兩輸出引線間存在著寄生電容(Cc)，也在微弱電荷測量中起作用，需考慮輸人等效電路后續(xù)放大器從輸入端觀察，可等效為一總的等效電容(Ci)和等效電阻(Ri)(1)電壓放大器電壓放大器的等效原理線路壓電片在未接入電路前，若它兩表面上存在電荷量q，兩極板的電位差為：(1)電壓放大器在接入后續(xù)電路后，放大器的輸入電壓為：若后續(xù)放大器為線性放大，則最終輸出為：(3-35)(3-36)(3-37)(1)電壓放大器(3-37)由式(3-37)，常規(guī)接出電荷輸出，經(jīng)放大后其電壓輸出與輸入電荷成正比

——這是所希望的特性但輸入電壓還與各部分的電容有關(guān)公式中所含的三部分電容中壓電晶體Ca與后續(xù)放大器的等效電容Ci通常不會變化，而引出電纜線的電容Cc

隨其長度和形狀變化

——這會給測量帶來輸出不穩(wěn)定的因素振動測試中，若電纜隨著被測物體一起振動，還會引起噪聲干擾使用時需特別注意使電纜長度保持標(biāo)定時的值不變

——布置時需妥善安排電纜的形狀、位置以免引起輸出的變動和干擾(2)電荷放大器為解決電壓放大器中寄生電容的影響，使輸出電壓僅取決于電荷

——出現(xiàn)了電荷放大器引入線路的等效電路如右圖所示主要的變化之處是在放大器輸入端增加一個帶有反饋電容Cf的運(yùn)算放大器先將3個電容Ca，Cc，Ci和已按串并聯(lián)計(jì)算簡化折算成一個電容C0，則：(3-38)(2)電荷放大器線路可簡化成圖(b)，電荷q分布在C0和Cf上，兩個電容上具有下式關(guān)系：(3-39)因ein對運(yùn)算放大器作反向端輸入，故：(3-40)式中，K為運(yùn)算放大器的增益。將式(3-40)代入式(3-39)作簡化后得：由于K值極大，所以1+K≈K，又Cf(1+K)》C0，C0可以略去而得：(3-41)(2)電荷放大器輸電壓與電荷成正比制作線路時若使