傳感檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用 第7章

傳感檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

第二篇典型傳感器的原理

及其應(yīng)用技術(shù)Sunday,February5,2023第7章壓電式傳感器1.掌握壓電式傳感器的工作原理；

2.了解壓電式傳感器的等效電路；3.了解壓電式傳感器的測(cè)量電路；4.理解壓電式傳感器的應(yīng)用。壓電式傳感器是一種可逆型換能器，它既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。

2/5/20232第1節(jié)壓電效應(yīng)及壓電材料

壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，又能將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電場(chǎng)；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

一、壓電效應(yīng)2/5/20233與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的晶體置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外力作用導(dǎo)致物體機(jī)械變形現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

二、壓電材料具有壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料。壓電材料應(yīng)具有大的壓電系數(shù)；機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大；高電阻率和介電系數(shù)；穩(wěn)定性好。

2/5/20234光軸：z軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿z軸方向通過晶體不發(fā)生雙折射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，故又稱為中性軸。電軸：x軸，通過兩個(gè)相對(duì)的六角棱線并垂直于光軸的軸線。垂直于此軸的晶面上有最強(qiáng)的壓電效應(yīng)。1.石英晶體：中間為六角形棱柱，兩端為對(duì)稱的棱錐，共30個(gè)晶面。

2/5/20235機(jī)械軸：y軸，垂直于x軸和z軸所在平面的軸線。在電場(chǎng)作用下，y軸具有最明顯的機(jī)械變形。石英晶體z軸僅一個(gè)，x軸和y軸各有3個(gè)。縱向壓電效應(yīng)：沿x軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電荷出現(xiàn)在與x軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為：

Qx=dxFx

式中dx－縱向壓電常數(shù)；

Fx－作用力。

2/5/202362/5/20237橫向壓電效應(yīng)：沿y軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電荷仍出現(xiàn)在與x軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為式中dy－橫向壓電常數(shù)；Fy－作用力；

sx、sy

－分別為與x軸、y軸相垂直的表面面積；a－x軸向厚度；b－y軸向長(zhǎng)度。由于力所施加的表面與感生電荷的表面不同，電荷量與晶體尺寸有關(guān)。2/5/20238根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱的條件，dy=dx，從而：即橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷極性相反。切向壓電效應(yīng)：沿x軸或y軸施加剪切力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。沿x軸的剪切力產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在與y軸垂直的表面上（電荷量與剪切力成正比，與晶片尺寸無關(guān)）；沿y軸的剪切力產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在與x軸垂直的表面上。

2/5/20239天然或人工合成石英晶體（SiO2），具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和壓電效應(yīng)。壓電系數(shù)較?。╠x

=2.310-12C/N），但壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。在20～200C內(nèi)，溫度每升高1C，壓電系數(shù)僅減小0.016%，升高到200C時(shí)，僅減小5%，達(dá)到573C時(shí)，失去壓電特性，此溫度稱為石英的居里點(diǎn)。介電常數(shù)為4.5。

2/5/202310

其它壓電晶體有鈮酸鋰（LiNbO3），居里點(diǎn)1210C，具有良好的壓電性，適用于高溫環(huán)境，但比石英脆，抗沖擊性差。鉭酸鋰（LiTaO3），居里點(diǎn)666C，壓電常數(shù)為石英的3倍。酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O64H2O），壓電系數(shù)較大（dx=310-9C/N），但機(jī)械強(qiáng)度低，機(jī)械強(qiáng)度、電阻率、居里點(diǎn)均較低，易受潮，性能不穩(wěn)定。

2/5/2023112.多晶壓電陶瓷

（壓電陶瓷）

由多種材料經(jīng)燒結(jié)合成，制作方便，成本低。原始?jí)弘娞沾身毥?jīng)強(qiáng)電場(chǎng)極化處理后才具有壓電性。壓電陶瓷的壓電常數(shù)一般比石英高數(shù)百倍。現(xiàn)代壓電元件，大多采用壓電陶瓷。

①鈦酸鋇（BaTiO3）

由碳酸鋇BaCO3和二氧化鈦TiO2按1：1摩爾比混合燒結(jié)而成。壓電常數(shù)約為石英的50倍，介電常數(shù)高(1200)，居里點(diǎn)約120C。

2/5/202312②鋯鈦酸鉛（PZT）系列壓電陶瓷

居里點(diǎn)300C左右，壓電常數(shù)70～80010-12C/N，性能和穩(wěn)定性均超過鈦酸鋇。其中有些產(chǎn)品可耐高溫、高壓。

3.高分子有機(jī)壓電材料

聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣列器件。用于微壓和機(jī)器人觸覺。

4.壓電半導(dǎo)體

具有壓電和半導(dǎo)體兩種特性，易于集成。

2/5/2023132/5/2023142/5/202315第2節(jié)壓電式傳感器的測(cè)量電路

金屬膜FF

a)壓電晶片b)等效電荷源c)等效電壓源Ca

Ra

QCa

Ra

ua

壓電器件相當(dāng)于具有一定電容的電荷源，其電荷和電容為：電容兩極板間開路電壓為：等效電路中電流一、壓電元件的等效電路2/5/202316若考慮負(fù)載（測(cè)量電路），等效電路如下：a)電荷源等效電路Ca

Ra

QCc

Ri

Ci

b)電壓源等效電路Ca

Ra

ua

Cc

Ri

Ci

其中，Ra、Ca壓電元件的電阻和電容；Cc為電纜寄生電容；Ci為后續(xù)測(cè)量電路的輸入電容。2/5/202317二、壓電元件放大電路

壓電元件內(nèi)阻高，電荷信號(hào)微弱。因此要前置放大器。前置放大器要具備如下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）將壓電元件的高阻抗輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出，使之能用一般方法進(jìn)行信號(hào)處理；（2）同時(shí)對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行放大，使之具有負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。前置放大器的種類有電壓放大器和電荷放大器。2/5/202318Ca

Ra

電壓放大電路ua

Cc

Ri

Ci

-Aui

uo

1.電壓放大器

在壓電元件等效電路中，Ca和Cc、Ci相比很小。而Rc和Ra、Ri相比很大，在并聯(lián)電路中可以忽略，等效電阻和電容分別為：總阻抗為當(dāng)壓電元件受到交變力F=Fmsinωt2/5/202319輸入端電壓幅值：電路中的電流為輸入端電壓相位：輸入端電壓電壓放大器輸出電壓幅值式中A電壓放大器的電壓放大倍數(shù)。2/5/202320，則：當(dāng)作用力頻率與電路時(shí)間常數(shù)RC足夠大時(shí)，Uim、ku、Uom與Cc有關(guān)，當(dāng)改變電纜長(zhǎng)度或布線

方法時(shí)，Uim、ku

、Uom都會(huì)改變，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。

顯然：壓電元件的電壓靈敏度2/5/202321若壓電器件上作用靜態(tài)力（

=0），Uim和ku均等于0。即壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)力。若被測(cè)量是準(zhǔn)靜態(tài)量，必須增大測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)，以維持(RC)2>>1，減少對(duì)Uim和ku的影響。顯然增加電容C會(huì)降低靈敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低頻響應(yīng)越好。下限頻率：（一般Ra>>Ri）2/5/202322

對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量，較大，易滿足(RC)2>>1，此時(shí)Uim和ku

近似與

無關(guān)，即壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。

2.電荷放大器

電荷放大器是一個(gè)高增益帶電容負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，其輸入阻抗極高（1012以上）。

電荷放大電路Ca

Ra

QCc

Ri

-Aui

uo

Cf

Ci

2/5/202323電荷放大電路Ca

Ra

QCc

Ri

Ci

-Aui

uo

(1+A)Cf

其中C=Ca+Cc

+Ci

+(1+A)Cf

。

放大器的輸出電壓幅值為：

把反饋電容Cf等效到放大器輸入端后，其放大器等效電如右圖，同樣可求得輸入端電壓幅值：2/5/202324若A足夠大（一般100dB以上），則：

(1+A)Cf

>>Ca+Cc

+Ci

式中負(fù)號(hào)表示放大器的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與外力成正比，與反饋電容成反比，而與Ca、Cc和Ci無關(guān)。電纜分布電容變化不會(huì)影響傳感器靈敏度，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。2/5/202325

由于采用電容負(fù)反饋，電荷放大器對(duì)直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開環(huán)，因此零點(diǎn)漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個(gè)大的反饋電阻Rf（約108～1012），以穩(wěn)定放大器的直流工作點(diǎn)。

電荷放大器電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時(shí)宜綜合考慮。2/5/202326＊能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器；＊體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍；＊靈敏度高，穩(wěn)定性好。對(duì)應(yīng)用縱向壓電效應(yīng)的傳感器，電荷量與晶體的變形無關(guān)，因而靈敏度與傳感器剛度無關(guān)；＊有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象；＊低頻特性較差，主要用于動(dòng)態(tài)測(cè)量；＊存在橫向效應(yīng)，影響測(cè)量結(jié)果；＊應(yīng)用中要求采取嚴(yán)格的絕緣措施，并采用低電容、低噪聲電纜；＊工作原理可逆。3.壓電式傳感器的特點(diǎn)2/5/202327三、測(cè)量電路在應(yīng)用中，壓電傳感器測(cè)量電路的組成如圖7-11所示。圖7-112/5/202328第3節(jié)壓電式傳感器應(yīng)用一、壓電元件組合為了增大壓電元器件輸出，常采用兩個(gè)（較多見）或兩個(gè)以上的壓電元件串聯(lián)或并聯(lián)。n個(gè)晶體串接時(shí)，輸出電荷量與單片晶體電荷相同，總電容為單片晶體電容的1/n，輸出電壓為單片晶體電壓的n倍。串接時(shí)，輸出電壓大、電容小、時(shí)間常數(shù)小，適宜測(cè)量迅變信號(hào)和以電壓輸出的場(chǎng)合。++++++++++----------FF2/5/202329++++++++++----------FF

n個(gè)晶體并接時(shí)，輸出電荷量為單片晶體電荷