第六章壓電傳感器

壓電振動(dòng)傳感器壓電材料壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)壓電傳感器的特性壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)第六章壓電傳感器測(cè)試、檢測(cè)技術(shù)壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)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而產(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)外力去除后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，此種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。力變形（極化現(xiàn)象）電場(chǎng)（表面電荷）逆壓電效應(yīng)：在某些電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)或電壓，它會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去除外加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。電場(chǎng)（極化方向上）變形關(guān)鍵：受到外力產(chǎn)生變形后，其正負(fù)電荷的中心是否重合。簡(jiǎn)化的晶體晶格模型壓電效應(yīng)原理壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)不同方向上的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)注意:產(chǎn)生的是電荷壓電體可視為：電荷發(fā)生器、電容器。壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)都是線性的。壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)d為材料的壓電常數(shù)QCR壓電材料壓電材料：壓電單晶（石英）壓電陶瓷高分子壓電材料石英石英晶片晶體切片壓電材料石英是壓電單晶中的代表，有天然石英和人造石英。優(yōu)點(diǎn)：它具有很好的機(jī)械強(qiáng)度，很好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：壓電常數(shù)小，是一般單晶的1/3左右，是其它多晶的幾百分之一，因此限制了它的更廣泛應(yīng)用。石英晶體最大的用途是做振蕩器，用在各種時(shí)鐘里。全世界每年估計(jì)要生產(chǎn)出20億只以上的晶振。石英的特性壓電材料壓電材料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，而制造成本卻很低，因此目前國(guó)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(PZT)及非鉛系壓電陶瓷(如BaTiO3等)。壓電陶瓷壓電材料注意：壓電陶瓷需要進(jìn)行極化處理Poling：極化壓電材料壓電陶瓷是制作調(diào)節(jié)器(Actuator)最常用的材料。一般輸出力很大，而變形很小，可以達(dá)到nm級(jí)；動(dòng)態(tài)特性很好，能得到微秒級(jí)響應(yīng)。壓電陶瓷用作位置調(diào)節(jié)器壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯(PVDF或PVF2)聚氟乙烯改性聚氯乙烯(PVC)等。這是一類柔軟的壓電材料，可以根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成大面積的元件，價(jià)格便宜。工作溫度一般低于1000C，機(jī)械強(qiáng)度低，易老化。高分子壓電材料壓電材料PVDF可以做成透明的傳感器壓電材料壓電薄膜制成的喇叭壓電材料的應(yīng)用玻璃破碎傳感器將厚度約為0.2mm的PVDF薄膜制成10X20mm大小。在它正反兩面?zhèn)€噴涂透明的二氧化錫導(dǎo)電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。使用時(shí)，用膠水把其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃破碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，使薄膜產(chǎn)生電荷，利用其可進(jìn)行報(bào)警。質(zhì)量塊壓電材料的應(yīng)用交通檢測(cè)將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車輛信息壓電材料的應(yīng)用壓電縱跳訓(xùn)練分析壓電材料的應(yīng)用壓電體可以產(chǎn)生很高的電壓開(kāi)路電壓(kV)2520151050應(yīng)力(106Pa)01020304050PolingaxisOpencircuitVoltage20mmFFQ=kFU=Q/C壓電材料的應(yīng)用高壓打火壓電體壓電材料的應(yīng)用原子力顯微鏡中的應(yīng)用用作微小位移調(diào)節(jié)探針high-voltage

amplifier壓電材料的應(yīng)用原子力顯微鏡在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever）來(lái)感測(cè)針尖與樣品之間的相互作用，這作用力會(huì)使微懸臂擺動(dòng)，再利用激光將光照射在懸臂的末端，當(dāng)擺動(dòng)形成時(shí)，會(huì)使反射光的位置改變而造成偏移量，此時(shí)激光檢測(cè)器會(huì)記錄此偏移量，也會(huì)把此時(shí)的信號(hào)給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來(lái)。一般采用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)進(jìn)行微小位移調(diào)節(jié)當(dāng)在壓電陶瓷對(duì)稱的兩個(gè)端面加上電壓時(shí)，壓電陶瓷會(huì)按特定的方向伸長(zhǎng)或縮短。而伸長(zhǎng)或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關(guān)系。壓電材料的應(yīng)用壓電傳感器的特性1.壓電傳感器不能用于靜態(tài)量測(cè)量假設(shè)施加在晶片上的外力不變，從理論上來(lái)說(shuō)，在外力作用期間，電荷量應(yīng)該始終保持不變。

但由于在測(cè)量時(shí)，積聚在極板上的電荷有內(nèi)部泄漏，并且外電路負(fù)載不能達(dá)到無(wú)窮大，那么產(chǎn)生的電荷量會(huì)慢慢的減少。

（因此不適于做靜態(tài)量測(cè)量。）

F(力)V(電壓)壓電傳感器對(duì)方波的響應(yīng)壓電傳感器的特性壓電傳感器不能測(cè)量靜態(tài)量，其低頻響應(yīng)不好，所測(cè)信號(hào)的頻率下限可以很低，但就是不能為零。壓電傳感器的特性2.壓電傳感器的輸出信號(hào)非常微弱需要將電信號(hào)放大后才能檢測(cè)出來(lái)。壓電傳感器的特性壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)

兩種放大方式：

1、普通的電壓放大

2、電荷放大而電荷放大器具有更多的優(yōu)點(diǎn)，因此得到了更為廣泛的應(yīng)用。壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電壓放大器傳感器與電壓前置放大器連接的等效電路

電壓放大器簡(jiǎn)化電路QCRCCR-KUUiii0caaQCR-KUi0U壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電壓放大器QCR-kUi0Ui壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)我們來(lái)看看它的傳遞函數(shù)是如何的？H(S)相當(dāng)于一個(gè)一階高通濾波器，因此只能傳遞高頻信號(hào)。L氏變換壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)并且，在頻率較高時(shí)，與壓電體的電容、電纜的對(duì)地電容、放大器的引入電容相關(guān)。表明輸出易受電纜對(duì)地電容的影響。電壓放大器：只能傳遞高頻信號(hào)；輸出易受電纜對(duì)地電容的影響。壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)

電荷放大器(一般情況)uoQC-kCfui等效電路壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)選用高增益的運(yùn)放：電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容的大小、壓電體產(chǎn)生的電荷量有關(guān)，而與壓電體的電容、電纜的對(duì)地電容等無(wú)關(guān)。壓電傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)壓電振動(dòng)傳感器壓電振動(dòng)傳感器壓電振動(dòng)傳感器在使用時(shí)的注意事項(xiàng)：1.頻率范圍（即采樣頻率范圍）

測(cè)試時(shí)，要滿足采樣定理壓電振動(dòng)傳感器壓電式傳感器的頻率響應(yīng)(1)、頻率下限

壓電傳感器的低頻響應(yīng)不好。主要是受到泄漏電阻（傳感器本身與放大器輸入電阻）的影響。傳感器的低頻響應(yīng)可以很低，但就是不能為零(DC)；(2)、頻率上限壓電傳感器的頻率上限由傳感器本身的固有頻率限制，一般應(yīng)為固有頻率的三分之一以下。頻率響應(yīng)曲線壓電式加速度計(jì)的典型頻率響應(yīng)曲線。特點(diǎn)：直流響應(yīng)為0，然后有一平坦區(qū)間，接著有一諧振峰，然后快速下降。可用區(qū)間頻率/Hz1001010.1輸出電壓V諧振峰TypicalFrequencyResponseCurve某一壓電式加速度計(jì)的頻率響應(yīng)。特點(diǎn)：直流響應(yīng)為0，然后有一平坦區(qū)間，接著有一諧振峰，然后快速下降。DCHPfilterwithLPfilterUsableRangelowfrequencylimitdetermjnedbyRCroll-offcharacteristics1<5%<5%fnfHPf