第7章壓電式傳感器

傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器主要內(nèi)容

7.1壓電效應(yīng)

7.2壓電材料

7.3等效電路與測量電路

7.4壓電式傳感器的應(yīng)用傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器概述

壓電式傳感器以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量,是一種典型的發(fā)電型傳感器.

壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動進(jìn)行測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器概述壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計壓電加速度計壓電警號傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.1壓電效應(yīng)

自然界中32種晶體點陣，分為中心對稱和非對稱兩大類，其中非中心對稱的有21種，20種具有壓電效應(yīng)，壓電現(xiàn)象是晶體缺乏中心對稱引起的。某些電介質(zhì)（晶體）當(dāng)沿著一定方向施加力變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變;這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.1壓電效應(yīng)

壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場時，電介質(zhì)會產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以將機(jī)械能電能也可以將電能機(jī)械能

壓電元件機(jī)械能電能傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體

自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。壓電材料可以分為兩類：壓電晶體、壓電陶瓷。

石英晶體外形結(jié)構(gòu)石英晶體特征天然、人工晶體兩種都屬于單晶體化學(xué)式為——SiO2外形無論再小都呈六面體結(jié)構(gòu)沿各個方向的特征不同（按特定方向切片）沿X（電軸）作用產(chǎn)生電荷稱縱向壓電效應(yīng)沿Y（機(jī)械軸）……………..橫向壓電效應(yīng)沿Z（光軸）不產(chǎn)生壓電效應(yīng)傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體——單晶體（水晶）壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體

壓電特性的各向異性可用矩陣表示（略）壓電元件受力后,表面電荷與外力成正比關(guān)系:

d為壓電系數(shù)（為常數(shù)）在X軸方向施力時,產(chǎn)生電荷大小為:

d11縱向壓電系數(shù)，σ1為X方向應(yīng)力在Y軸方向施力時,產(chǎn)生電荷大小為:d12橫向壓電系數(shù)，σ2為Y方向應(yīng)力根據(jù)晶體的對稱性，壓電系數(shù)d12=-d11a、b是晶體切片幾何尺寸(長、厚)由拉力還是壓力決定qx、qy符號。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體

石英晶體的上述特征與內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)：當(dāng)晶體不受力時F=0，正負(fù)離子分布在六邊形頂角，電偶極矩互成1200夾角，矢量和為零，晶體呈中性；當(dāng)晶體受沿X軸方向的應(yīng)力時，X方向壓縮形變，電偶極矩在X軸方向的分量由于出現(xiàn)上負(fù)下正電荷；傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體當(dāng)晶體受沿Y軸方向的應(yīng)力時，Y方向壓縮形變，電偶極矩在X軸方向的分量由于出現(xiàn)上正下負(fù)電荷；晶體受沿Z軸方向的應(yīng)力時X、Y方向形變相同不產(chǎn)生壓電效應(yīng)；應(yīng)力方向為拉力時，電荷極性與上述相反。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.1石英晶體石英晶體壓電模型傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器動畫演示石英晶體壓電模型動畫演示傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.2壓電陶瓷（多晶體）

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，材料的內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向。

無電場作用時，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消呈中性。

施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向外電場方向排列。外電場強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時，所有的電疇與外電場一致。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.2壓電陶瓷（多晶體）

外電場去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時是非壓電體。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.2壓電陶瓷（多晶體）

晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外力成正比關(guān)系，電荷密度：

d33—壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)，d33

比d11、d12大的多所以壓電陶瓷制作的傳感器靈敏度比壓電晶體高，但極化后的壓電陶瓷受溫度影響又使壓電特性減弱。隨時間延長（2年后）d33會下降，作為傳感器使用時要經(jīng)常校準(zhǔn)修正。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.3新型壓電材料

石英和壓電陶瓷是性能較好的壓電材料，但有共同的缺點，密度大、硬、易碎，不耐沖擊，難以加工。而新型合成高分子材料，PVF聚氟乙烯、PVF2聚偏二氟乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服這一缺陷，可以作成輕小柔軟的壓電元件。靈敏度比PZT（壓電陶瓷）大17倍。壓電半導(dǎo)體材料具有壓電特性，又有半導(dǎo)體特性，可研制集成壓電傳感器系統(tǒng)。這些材料有：(ZnS)(CdTe)(ZnO)(CdS)(GaAs)傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.3新型壓電材料

聚偏氟乙烯壓電效應(yīng)而這些新型合成材料的分子鏈中C—F鍵具有極性，有一定的偶極矩，通常晶胞內(nèi)的極矩相互抵消整體不顯極性，沒有壓電效應(yīng)。必須經(jīng)過拉伸、極化過程，特殊處理才會具有良好的壓電效應(yīng)。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2.4壓電元件主要參數(shù)性能

性能參數(shù)：壓電常數(shù)；介電常數(shù)（高）；彈性常數(shù)；機(jī)械耦合系數(shù)；工作溫度。鋯鈦酸鉛（壓電陶瓷PZT）是一種性能優(yōu)越的壓電陶瓷，是目前最普遍使用的壓電材料。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.2壓電材料

7.2.5壓電元件結(jié)構(gòu)形式

在實際應(yīng)用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、四片壓電元件組成在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在連接方法，雙片連接時：U’+__+++++++++++___________++++++++++____________按+-+-粘貼時電路串聯(lián)電壓增加一倍適用于電壓放大器按+--+粘貼時電路并聯(lián)電荷增加一倍適用于電荷放大器+_+_U’+++++++++++_______________________+++++++++++傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.1壓電傳感器等效電路

壓電傳感器可視為電荷源視為電荷輸出時可等效為電荷源Q和電容Ca并聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電荷為視為電壓輸出時可等效為電壓源U與電容Ca串聯(lián)，開路狀態(tài)輸出端電壓為電容極板上聚集電荷時，極板間有電壓存在,電壓大小與極板間電荷成正比可以看成具有+、-極性的電容器；等效為一個Ca的電容器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.1壓電傳感器等效電路

等效電壓源

等效電荷源傳感器接測量電路時還要考慮以下主要因素電纜等效電容Cc、接入電路的輸入電容Ci、

放大器輸入電阻Ri、傳感器漏電電阻Ra。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.1壓電傳感器等效電路

根據(jù)等效電路，壓電傳感器靈敏度有兩種等效電壓源

等效電流源根據(jù)它們之間的關(guān)系有：電壓靈敏度電荷靈敏度傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.1壓電傳感器等效電路

壓電元件內(nèi)阻很高，需要前置電路有高的輸入阻抗。壓電元件輸出可以是電壓源也可以是電荷源。因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器、電荷放大器由等效電路可見，只有在負(fù)載RL→∞時（無漏電）受力產(chǎn)生的電荷才能長期保存下來，否則放電回路很快將電荷放掉，因此測量頻率較低時必須保證RL很大，即時間常數(shù)RLCa=τ大。前置電路有兩個作用：一是放大微弱的信號、二是阻抗變換傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路

（1）電壓放大器（阻抗變換器）

電壓放大器及等效電路示意圖如果壓電元件為正弦作用力變化電壓放大器的輸入端傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路理想情況輸入電壓幅值放大器輸入電壓的復(fù)數(shù)形式輸入的實際幅值（有效值）d壓電系數(shù)ω信號頻率R=Ra//Ri相位差產(chǎn)生的電荷與電壓也按正弦變化:傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路

傳感器電壓靈敏度前置放大器實際輸入電壓與理想輸入電壓的比值為令前置放大器輸入回路的時間常數(shù)為

相對幅頻特性和相頻特性分別為：理想實際傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路

電壓放大器討論：壓電傳感器不能測量靜態(tài)物理量；一般認(rèn)為當(dāng)ωτ≥3時輸入電壓與信號頻率無關(guān)，高頻響應(yīng)特性好，優(yōu)點；提高低頻響應(yīng)的辦法是增大τ,RLCa=τ但不能靠輸入電容Ca,因為電壓靈敏度與電容成反比。實際是增大前置輸入回路電阻Ri。從電壓靈敏度Ku可見，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時更換電纜就要求重新標(biāo)定，測量系統(tǒng)對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路

R1、R2分壓經(jīng)

Rg耦合作場效應(yīng)管偏置。觀察Rg兩端電壓，信號到經(jīng)C1耦合到Rg的A端，由于場效應(yīng)管跟隨作用，使S（源）G（柵）間電壓大小近似相等、相位相同。信號經(jīng)C2耦合到Rg的B端，這時Rg兩端電壓近相等，Rg上的電流很小，意味著場效應(yīng)管輸入阻抗并沒有因分壓電路而降低。電壓放大器實例：用場放應(yīng)管實現(xiàn)高阻抗匹配的放大自舉反饋電路（跟隨器）——阻抗變換電路傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路為解決電纜分布電容Cc對傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)差的缺點可采用電荷放大，集成運放組成的電荷放大器有較好的性能。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。利用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運放。（2）電荷放大器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路理想情況輸出電壓為：壓電傳感器的輸入電路由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構(gòu)成。因運放輸入端Ri阻抗高，幾乎無分流，可忽略Ra//Ri并聯(lián),輸入只對Cf充電。（2）電荷放大器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路由運放特性可求得電荷放大器輸出電壓可認(rèn)為電荷放大器滿足理想條件當(dāng)滿足K>>1（K=104～108）通常:Ca=幾十pfCc=100pf/m

Cf

=102-108pfK>105滿足（1+K）Cf>>10(Ca+Ci+Cc)電荷放大器及等效電路輸出電壓與輸入電荷量成正比傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.3等效電路與測量電路

7.3.2測量電路電荷放大器的輸出電壓U0只取決于輸入電荷量Q和反饋電容Cf，輸出電壓與電纜電容Cc無關(guān)，與Q成正比，與電容Cf成反比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點?？紤]不同量程因素，Cf的容量做成可以選擇的電容，一般為100～104pF。使用電荷放大器時，電纜長度變化影響可忽略，并且允許使用長電纜工作。

缺點是電路復(fù)雜、價格昂貴。電荷放大器討論：由電壓放大器的輸出電荷放大器的輸出傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用1．壓電晶體振蕩器；2.壓電式測力傳感器3．壓電加速度計傳感器；4.振動測量；5．壓電換能器，發(fā)射（揚聲器）、接收（麥克風(fēng)）、收聽器、超聲波換能器；6.新型壓電材料（聚偏二氟乙烯）壓電元件符號傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用

壓電陶瓷片有2引腳和3引腳，其中兩引腳方式是將銅片作為一個電極，兩片陶瓷片的涂銀面用引線連接起來作為另一個電極。壓電陶瓷片傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電式壓力傳感器具有加速度補(bǔ)償?shù)膲弘娛綁毫鞲衅?，壓電晶體被夾在兩塊膜片之間，壓電晶體在振動時受到來自兩個膜片上同方向的力，使壓電晶片無電荷輸出。但靈敏度低一半。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電式加速度傳感器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電式玻璃破碎報警器玻璃破碎時會發(fā)出十幾千赫至超聲波的震動。將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到這一震動，并將電壓信號傳送給報警系統(tǒng)。傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器振動式液位開關(guān)壓電加速度計壓電元件產(chǎn)品傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用點火器晶體傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用石英和壓電陶瓷是性能較好的壓電材料，但有共同的缺點，密度大、硬、易碎，不耐沖擊，難以加工。而PVF2材料能很好的克服這一缺陷，可以作成輕小柔軟的壓電元件。

PVF2高分子聚偏二氟乙烯是一種良好的熱塑性工程塑料，密度小、柔性好，有較高的壓電效應(yīng)，比石英十倍，壓電陶瓷低十倍。材料輕柔可按需要切割成薄片，可植入人體。PVF2壓電膜硬幣銅柱投幣計數(shù)傳感器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電膜話筒話筒中，壓電膜以一定的支撐形式保持膜內(nèi)一定張力。在外來聲壓作用下，膜面的曲率發(fā)生變化，使膜內(nèi)應(yīng)力改變，產(chǎn)生相應(yīng)的壓電信號。壓電膜話筒結(jié)構(gòu)示意圖

PVF2壓電膜絮狀材料墊聲壓傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用人體生理量測量如血壓、心音、脈搏等體內(nèi)和體表檢測是PVF2最有前景的場合。柔軟、無毒、化學(xué)性能穩(wěn)定，可與血液直接接觸。φ68mm檢測區(qū)（接收）激振（發(fā)射）公共電極F

PVF胎兒心音換能器傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用引信由壓電元件和起爆裝置兩部分組成，壓電元件安裝在彈丸的頭部，起爆裝置在彈丸的尾部，通過引線連接。壓電元件RESab炸藥壓電元件導(dǎo)線起爆裝置破甲彈上的壓電引信結(jié)構(gòu)藥型罩壓電引信壓電引信是利用壓電元件制成的彈丸起爆裝置。觸發(fā)度高、安全可靠、不需要安裝電源系統(tǒng)，常用于破甲彈上。對彈丸的破甲能力起著極重要的作用。

電雷管傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用原理：平時E（電雷管）處于短路保險安全狀態(tài)，壓電元件即使受壓，產(chǎn)生的電荷會通過電阻放掉，不會觸發(fā)雷管。而彈丸一旦發(fā)射起爆裝置解除保險狀態(tài)，開關(guān)S從b處斷開與a接通，處于待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)彈丸與裝甲目標(biāo)相遇時，碰撞力使壓電元件產(chǎn)生電荷，通過導(dǎo)線將電信號傳給電雷管使其引爆，并引起彈丸爆炸，能量使藥型罩融化形成高溫高速的金屬流將鋼甲穿透。壓電元件RESab炸藥壓電元件導(dǎo)線起爆裝置破甲彈上的壓電引信結(jié)構(gòu)藥型罩電雷管傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器測振動

對于多功能轉(zhuǎn)子實驗臺底座的振動，可采用加速度傳感器和速度傳感器兩種方式進(jìn)行測量。將帶有磁座的加速度和速度傳感器放置在試驗臺的底座上，將傳感器的輸出接到變送器相應(yīng)的端口到計算機(jī)中。啟動轉(zhuǎn)子試驗臺，可觀察并記錄到的振動信號波形和頻譜。加速度和速度傳感器振動測量傳感器原理及應(yīng)用第7章壓電式傳感器7.