檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)課件：第5章電壓型傳感器2（壓電式）

1、5、2 壓電式傳感器,壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它可以測量最終能變換為力的各種物理量，例如壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動等。 壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。 應(yīng)用于力學(xué)、聲學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。,基本原理分析,1 壓電效應(yīng),某些電介質(zhì)，在一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力作用除去時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。稱為正壓電效應(yīng)。傳感器常用。 當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場時(shí)，電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，用于電聲器件。 具有壓電效應(yīng)

2、的物質(zhì)，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。,基本原理分析,2 石英晶體的壓電效應(yīng),石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。 石英晶體有三個(gè)晶軸：Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；X軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個(gè)棱線并垂直于光軸；y軸又稱機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對的晶柱棱面。,a) b) c) 圖 石英晶體的外形、坐標(biāo)軸及切片,a) b) c) 石英晶體的壓電效應(yīng),上圖是垂直Z軸的平面投影。石英晶體在機(jī)械力的作用下為什么會在其表面產(chǎn)生電荷可以解釋如下： 石英晶體的每一個(gè)晶體單元中，正負(fù)離子分布在正六邊形的頂角上，如圖a 所示。當(dāng)作用力為零時(shí)，正負(fù)電荷相互平衡，

3、所以外部沒有帶電現(xiàn)象。 （+）代表硅離子，（-）代表氧離子。,X,如果在X軸方向施加壓力，如圖b所示，則氧離子擠入硅離子2和6間，而硅離子4擠入氧離子3和5之間，結(jié)果在表面A上出現(xiàn)正電荷，而在表面B上出現(xiàn)負(fù)電荷。如果所受的力為拉力時(shí)，在表面A和B上的電荷極性就與前面的情況正好相反。 如果沿y軸方向施加壓力時(shí)，則在表面A和B上呈現(xiàn)的極性如圖c所示。施加拉力時(shí)，電荷的極性與它相反。,從晶體上切下一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。選擇垂直于X軸的表面作為電荷面，當(dāng)沿著X軸對壓電晶片施加力時(shí)，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。,沿著y軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上， 這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當(dāng)

4、沿著Z軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,壓電效應(yīng)的類型,(a)縱向壓電效應(yīng) (b)橫向壓電效應(yīng) (c)電荷面受剪切，稱之為面切壓電效應(yīng) (d)電荷面厚度受剪切，稱之為剪切壓電效應(yīng) (e)多應(yīng)力作用下的壓電效應(yīng)，稱全壓電效應(yīng)，如體積變形壓電效應(yīng),T表示應(yīng)力。,單一壓電效應(yīng)：,電荷面有3對面，應(yīng)力方向有6種，壓電常數(shù)理論上有18種可能值：,全壓電效應(yīng):,石英晶體的壓電效應(yīng),在x方向，有縱向、橫向、面切壓電效應(yīng)，如圖a、b、c 在y方向，有面切、剪切壓電效應(yīng)，如圖d、e 在z方向，無壓電效應(yīng)。,壓電材料,具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱為壓電材料。迄今已出現(xiàn)的壓電材料分為三種類型: (1)壓電晶體，如壓電石英晶體

5、；(2)壓電陶瓷；(3)新型壓電材料。,三、力電荷轉(zhuǎn)換關(guān)系即壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷與所受外力的關(guān)系。,例：對于縱向壓電效應(yīng)i=j, Si=Sj, 所以 Qx=d11 Fx 縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量,d為電荷靈敏度,3 壓電陶瓷的壓電效應(yīng),壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，具有電疇結(jié)構(gòu)。電疇是晶體中分子自發(fā)極化極化取向的微小區(qū)域。在原始狀態(tài)時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中無規(guī)則排列，它們的極化效應(yīng)互相抵消。因此，在原始狀態(tài)壓電陶瓷呈現(xiàn)中性，不具有壓電效應(yīng)。 極化處理：在一定的溫度下，以強(qiáng)電場使電疇規(guī)則排列，極化電場去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強(qiáng)的剩余極化，壓電陶瓷就具有了壓電性。 對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向

6、為Z 軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于Z 軸的表面上將會出現(xiàn)電荷。,a)極化前 b)極化 c)極化后,(1)在x方向,只有d15的厚度剪切壓電效應(yīng)(a)； (2)在y方向,只有d24的厚度剪切壓電效應(yīng)(b)； (3)在z方向,有d33的縱向壓電效應(yīng)(c), d31的橫向壓電效應(yīng)(d), d32的橫向壓電效應(yīng)； (f)圖為三向壓力相等時(shí)（如在液體中）壓電效應(yīng),壓電效應(yīng)的基本變形方式及 壓電常數(shù),壓電陶瓷的壓電常數(shù)。比石英晶體高數(shù)十倍。,壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu),1 壓電材料,選取合適的壓電材料要求： 1) 具有較大的壓電常數(shù)。 2) 壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動頻

7、率。 3) 具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響， 4) 具有較高的居里點(diǎn)。 5) 壓電材料有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。,壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu),石英晶體 石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理+化學(xué)性質(zhì)與天然石英晶體接近，成本較低。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)不隨溫度而變化。石英晶體的居里點(diǎn)為573，即到573時(shí)，它將完全喪失壓電性質(zhì)。它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。 但靈敏度很低，介電常數(shù)小。 壓電陶瓷，壓電常數(shù)比石英晶體大數(shù)十倍。,壓電元件的常用結(jié)構(gòu)型式,在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，

8、因此接法也有兩種。 圖a為并聯(lián)接法，其輸出電容C=nC，輸出電壓U=U，極板上的電荷量Q =nQ。 圖b為串聯(lián)接法，這時(shí)有 QQ， U= nU， C=C/n。,在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時(shí)間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。 串聯(lián)接法電容小，輸出電壓高，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合，適用于測量瞬變信號。,測量電路,1 等效電路,壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面會聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。,因此可以把壓電式傳感器等效成一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖a所示。,測量電路,1 等效電路,還可以把壓電式傳感器等

9、效成一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為 要保存受力后產(chǎn)生的電荷,外電路的負(fù)載必須是無窮大,事實(shí)上做不到,只有外力以較高頻率不斷地作用,產(chǎn)生的電荷才能不斷得到補(bǔ)充。所以，壓電傳感器不適合于靜態(tài)測量,適合動態(tài)量測量。,壓電傳感器相當(dāng)于一個(gè)與電容串聯(lián)的電壓源,壓電傳感器實(shí)際的等效電路,與測量儀表聯(lián)接時(shí)，須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。,2 .電壓放大器,放大器輸入電壓:,d為電荷靈敏度,電壓放大器輸出與轉(zhuǎn)換靈敏度,從上式看，靈敏度 有高通特性，若作用力的角頻率降低，靈敏度下降。 可見要提高測量靈敏度,在作用力的角頻率不變的情況下，就應(yīng)增大RC的

10、值,而增加C的值又會減低靈敏度,一般都是加大放大器的輸入電阻。 結(jié)論：應(yīng)選擇輸入電阻高的電壓放大器， 傳感器的電纜會影響測量靈敏度。,壓電式傳感器的應(yīng)用,壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動等許多動態(tài)非電量的測量。,1 5100系列壓電式力傳感器,5100系列力傳感器，是一種利用石英晶體的縱向壓電效應(yīng)，將“力”轉(zhuǎn)換成“電荷”并通過二次儀表轉(zhuǎn)換成電壓的壓電式力傳感器。它具有氣密性好、硬度高、剛度大、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。目前，5110、5112、5114和5115力傳感器已組成各種錘頭（鋼、鋁、尼龍、橡膠）型測力錘，可以測量動態(tài)力、準(zhǔn)靜態(tài)力和沖擊力。外形如圖所示.,5100系列壓電式力傳感

11、器,2 電荷型石英壓力傳感器,M112系列為發(fā)動機(jī)燃燒傳感器，適用于發(fā)動機(jī)汽缸內(nèi)壓力測試。M119系列為高頻、抗高沖擊型，特別適用于榴彈炮、液體發(fā)射藥武器的測試。是典型的軍工產(chǎn)品，也可廣泛應(yīng)用于民用工業(yè)中，如發(fā)動機(jī)燃燒室壓力測量等領(lǐng)域。,6100系列壓電加速度計(jì) 壓電加速度計(jì)是以壓電晶體做敏感件。體積小、重量輕、輸出信號大，固有頻率高，可用于測量振動、沖擊等信號。其外形見圖.,6100系列壓電加速度計(jì)的外形示意圖,HZ-9508型測振表外形示意圖,壓電式超聲波傳感器范圍104-108HZ,聲速344米/秒,超聲波探頭常使用壓電材料制作，利用逆壓電 效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，正壓電效應(yīng)將接收超聲波 振動轉(zhuǎn)化為電信號。,P170,超聲波特性,傳播速度取決于介質(zhì)密度和介質(zhì)的彈性常數(shù)，束射性強(qiáng)，方向性強(qiáng)，可定向傳播，能量遠(yuǎn)大于聲波，穿透力強(qiáng)。 從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)，發(fā)生反射和折射。,超聲波探傷（醫(yī)學(xué)疾病檢測）,透射法，根據(jù)超