第6章壓電式傳感器

第6章壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)早在1680年就已發(fā)現(xiàn)，1948年制作出第一個(gè)石英傳感器。下頁返回圖庫2023/10/11第6章壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)6.2壓電材料6.3等效電路6.4測(cè)量電路6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例6.6影響壓電式傳感器精度的因素分析本章要點(diǎn)下頁上頁返回圖庫2023/10/126.1壓電效應(yīng)

某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。

具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量間的相互轉(zhuǎn)換?？梢苑譃閴弘娋w和壓電陶瓷兩大類。石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。下頁上頁返回圖庫2023/10/13壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的。在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)制作的傳感器。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的狀態(tài)可分為圖6-1所示的幾種基本形式。下頁上頁返回圖庫2023/10/14圖6-1壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的幾種基本形式2023/10/156.1.1石英晶體的壓電效應(yīng)縱向軸Z軸稱為光軸，它是晶體的對(duì)稱軸，光線沿z軸通過晶體時(shí)不產(chǎn)生折射現(xiàn)象,因而以它作為基準(zhǔn)軸；經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的為X軸，稱為電軸，該軸壓電效應(yīng)最顯著，X軸共有三個(gè)；與X和Z軸同時(shí)垂直的軸為Y軸，稱為機(jī)械軸（力軸），Y軸也有三個(gè)；在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。圖6-2石英晶體的外形和晶軸圖6-2(a)所示為天然石英晶體的結(jié)構(gòu)外形，石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)。天然結(jié)構(gòu)的石英晶體是一個(gè)正六面體。用三根互相垂直的軸Z、X、Y表示它們的坐標(biāo)，2023/10/16圖6-3石英晶體壓電效應(yīng)示意圖(a)不受力時(shí)；(b)x軸方向受壓力；(c)y軸方向受壓力當(dāng)沿X軸方向或Y軸方向受到壓力作用時(shí)，產(chǎn)生電荷的極性如圖6-3所示。當(dāng)沿X軸方向或Y軸方向受到拉力作用時(shí)，產(chǎn)生電荷的極性正好相反。2023/10/17

6.1.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。

2023/10/18圖6-5壓電陶瓷的極化過程和壓電原理圖當(dāng)極化后的鐵電體受到外力作用時(shí)，其剩余極化強(qiáng)度將隨之發(fā)生變化，從而使一定表面分別產(chǎn)生正、負(fù)電荷。壓電陶瓷在極化方向上壓電效應(yīng)最明顯。鐵電體的參數(shù)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，即老化，鐵電體老化將使壓電效應(yīng)減弱。2023/10/196.1.3高分子材料的壓電效應(yīng)圖6-6聚偏氟乙烯壓電效應(yīng)高分子材料屬于有機(jī)分子半結(jié)晶或結(jié)晶的聚合物，其壓電效應(yīng)比較復(fù)雜，對(duì)目前已應(yīng)用開發(fā)的聚偏氟乙烯來說，壓電效應(yīng)可采用類似鐵電體的機(jī)理加以解釋，如圖6-6所示。下頁上頁返回圖庫2023/10/1106.1.4壓電方程與壓電常數(shù)壓電元件受到力F作用時(shí)，就在相應(yīng)的表面產(chǎn)生表面電荷Q，力F與電荷Q之間存在如下關(guān)系D——壓電系數(shù)，通常為一個(gè)矩陣，不同材料的壓電系數(shù)矩陣不一樣1.相對(duì)于空間一定的幾何切型，只有在某些方向受到作用力時(shí)才能產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2.可以將不同方向的機(jī)械力轉(zhuǎn)化為電效應(yīng)（正壓電效應(yīng)）；也可以將電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為不同模式的機(jī)械形變（逆壓電效應(yīng)）。3.根據(jù)壓電常數(shù)的大小，可以判斷在哪些方向應(yīng)力作用時(shí)，壓電效應(yīng)最顯著。6.2壓電材料

選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)。②機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)，以期望得到寬的工作溫度范圍。⑤時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。下頁上頁返回圖庫2023/10/1112023/10/112石英是較好的壓電材料。除了其壓電常數(shù)不大外，其他特性都有著顯著的優(yōu)越性，彈性系數(shù)較大；機(jī)械強(qiáng)度較高，在沖擊力作用下漂移也較小。石英晶體元件主要用來測(cè)量大量值的力和扭速度或作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用。除石英外，鈦酸鋇陶瓷也是較好的壓電材料。介電常數(shù)和電阻率都較高。特別是制造特殊形狀元件(如圓環(huán)形元件)要比石英容易。與其他壓電陶瓷(如鋯鈦酸鉛等)相比，鈦酸鋇極化也比較容易。其他如鋯鐵酸鉛系壓電陶瓷，即PZT系壓電陶瓷；鈣鈦礦型的鈮酸鹽和鉭酸鹽系壓電陶瓷，如鈮酸鉀鈉；水溶性壓電晶體，如酒石酸鉀鈉、羅謝爾鹽(四水磷酸氨)等。6.3等效電路壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：（6-10）式中

s―極板面積εr―壓電材料相對(duì)介電常數(shù)

0―真空介電常數(shù)δ―壓電元件厚度下頁上頁返回圖庫2023/10/113當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大)U為

（6-11）可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca的等效電路，如圖6-8(a)中的虛線方框；同時(shí)也可等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路，如圖6-8(b)中的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。

下頁上頁返回圖庫2023/10/114圖6-8壓電式傳感器測(cè)試系統(tǒng)的等效電路2023/10/115壓電式傳感器的靈敏度有電壓靈敏度ku和電荷靈敏度kq兩種，它們分別表示單位力產(chǎn)生的電壓和單位力產(chǎn)生的電荷。它們之間的關(guān)系為（6-12）

由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電流，故適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。壓電式傳感器的工作原理：壓電材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。因?yàn)閴弘娦?yīng)的可逆性，所以也稱其為雙向機(jī)電傳感器。2023/10/116圖6-5壓電元件連接方式(a)相同極性端粘結(jié)；(b)不同極性端粘結(jié)單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，根據(jù)壓電元件的工作原理及兩種等效電路，與壓電元件配套的測(cè)量電路的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。6.4測(cè)量電路下頁上頁返回圖庫2023/10/117

電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大。因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器。圖6-9是電壓放大器的原理圖及簡化電路圖。下頁上頁返回圖庫2023/10/1186.4.1電壓放大器圖6-9電壓放大器電路原理及其等效電路圖（a）放大器電路原理;（b）等效電路2023/10/119如果在壓電元件電軸上的力為交變力：在壓電元件上產(chǎn)生的電荷：電壓放大器輸出端電壓uO的幅值若作用力是靜態(tài)力（ω=0），則Um＝0，故壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)量!

由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換會(huì)引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測(cè)量的電荷放大器，目前它已被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器。下頁上頁返回圖庫2023/10/1206.4.2電荷放大器放大器實(shí)際上是一種具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器，其等效電路如圖6-11所示。圖中已把Ra、Ri看作無限大而加以忽視，這樣當(dāng)容抗遠(yuǎn)小于電阻RF折算到輸入端的等效阻抗時(shí)，可有下式成立圖6-11電荷放大器等效電路2023/10/121電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容有關(guān)，而與連接電纜無關(guān)，更換連接電纜時(shí)不會(huì)影響傳感器的靈敏度，這是電荷放大器的最大優(yōu)點(diǎn)。電荷放大器雖然允許使用很長的電纜，并且電容Cc變化不影響靈敏度，但它比電壓放大器的價(jià)格高，電路較復(fù)雜，調(diào)整也比較困難。6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例

壓電元件是一種典型的力敏感元件?？捎脕頊y(cè)量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。在檢測(cè)技術(shù)中，常用來測(cè)量力和加速度。

下頁上頁返回圖庫2023/10/122圖6-13

壓電式單向測(cè)力傳感器6.5.1壓電式測(cè)力傳感器圖6-13所示為壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖。該傳感器可用于機(jī)床動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量。2023/10/1236.5.2壓電式加速度傳感器工作原理：整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。傳感器整體與被測(cè)試件具有相同頻率的振動(dòng)，質(zhì)量塊產(chǎn)生正比于加速度的交變力作用在晶片上。晶片由于壓電效應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的表面電荷。圖6-16壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖2023/10/124刀具由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化便可測(cè)得切削力的變化。6.5.3壓電式金屬加工切削力測(cè)量圖6-17壓電式刀具切削力測(cè)量示意圖6.6.1非線性

壓電傳感器的幅值線性度是指被測(cè)物理量(如力、壓力、加速度等)的增加，其靈敏度的變化程度。

6.6.2橫向靈敏度壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動(dòng)時(shí)的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示，稱為橫向靈敏度比。6.6影響壓電式傳感器精度的因素分析下頁上頁返回圖庫2023/