傳感器與檢測技術(shù)胡向東第二版

第6章壓電式傳感器主要內(nèi)容6.1

工作原理6.2壓電式傳感器測量電路6.3壓電式傳感器的應(yīng)用知識單元與知識點(diǎn)壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的基本概念；壓電材料的分類及其特性；壓電式傳感器的等效電路、電荷放大器與電壓放大器的測量電路；壓電元件的連接特性；壓電式傳感器的應(yīng)用。能力點(diǎn)深入理解壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的基本概念；理解壓電式傳感器的等效電路、電荷放大器與電壓放大器的測量電路；了解壓電材料的分類及其特性；會分析壓電元件的連接特性；了解壓電式傳感器的應(yīng)用。重難點(diǎn)重點(diǎn)：壓電式傳感器的工作原理、測量電路。難點(diǎn)：壓電式傳感器的測量電路。學(xué)習(xí)要求掌握壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的含義；掌握石英晶體具有壓電效應(yīng)特性的分子結(jié)構(gòu)特性、壓電陶瓷的壓電特性機(jī)理；了解壓電材料的主要特性參數(shù)及其含義、壓電材料的選??；掌握壓電式傳感器的等效電路與測量電路；掌握壓電元件并聯(lián)或串聯(lián)特性；了解壓電式傳感器的典型應(yīng)用。6.1工作原理順壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)物質(zhì)，沿某一方向受到外力作用時(shí)，會產(chǎn)生變形，在其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面會產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為“壓電效應(yīng)”。當(dāng)作用力方向改變時(shí),電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象也稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。

(加力—變形—產(chǎn)生電荷)6.1.1壓電效應(yīng)6.1.1壓電效應(yīng)

逆壓電效應(yīng)

當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上就會產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力；當(dāng)外加電場撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)的可逆性6.1.1壓電效應(yīng)特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測量范圍廣等。用途：主要用于與力相關(guān)的動態(tài)參數(shù)測試，如動態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。壓電傳感器6.1.2壓電材料石英晶體天然形成的石英晶體外形由晶體學(xué)可知，無對稱中心的晶體，通常具有壓電效應(yīng)。石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。壓電系數(shù)高，靈敏度較石英材料高，但工作溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。10

陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對外界的作用。陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋11

如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。

——正壓電效應(yīng)－F＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向

正壓電效應(yīng)示意圖126.2

測量電路

當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。6.2.1等效電路壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高（1010歐以上），輸出能量小，常在測量電路中加一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，作用：（1）把高輸入阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗（小于100歐）；（2）對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大。6.2.1測量電路15電荷放大器等效電路電荷放大器K是放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。q：傳感器的電荷Ce：連接電纜的等效電容RF：反饋電阻CF：反饋電容16

電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容CF和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。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，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。式中：Uo——放大器輸出電壓；

Ud——反饋電容兩端電壓。四通道電荷放大器外形.18

壓電傳感器接放大器的等效電路（a）放大器電路（b）等效電路電壓放大器（阻抗變換器）Ua：傳感器的電壓Re：傳感器的漏電阻Ce：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容19電壓放大器應(yīng)用限制壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，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。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。上一頁下一頁返回20解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。上一頁下一頁返回壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個(gè)超小型靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于零就避免了長電纜對傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷。

6.2.3壓電元件的連接與變形壓電元件的連接圖b）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，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

圖a）從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個(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。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。6.3壓電式傳感器的應(yīng)用6.3.1壓電式力傳感器

壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)換為電荷的傳感器。變形方式：利用縱向壓電效應(yīng)的方式最簡便。材料選擇：決定于所測力的量值大小，對測量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。晶片數(shù)目：通常是使用機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。晶片電氣并聯(lián)兩片，可以使傳感器的電荷輸出靈敏度增大一倍。6.3.2壓電式加速度傳感器

實(shí)際應(yīng)用舉例—壓電(陶瓷)式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量25實(shí)際應(yīng)用舉例—交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等。26高分子壓電電纜的應(yīng)用演示

將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。

27壓電式玻璃破碎報(bào)警器將高分子壓電測振