第8章壓電式傳感器課件

1、第第8 8章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 8.1 8.1 壓電效應壓電效應8.2 8.2 壓電材料壓電材料8.3 8.3 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路8.4 8.4 壓電式傳感器應用舉例壓電式傳感器應用舉例 壓電式傳感器壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應為基礎，屬于一種發(fā)電式傳感器，壓電效應是可逆的，壓為基礎，屬于一種發(fā)電式傳感器，壓電效應是可逆的，壓電式傳感器是一種典型的電式傳感器是一種典型的“雙向傳感器雙向傳感器”。 壓電轉(zhuǎn)換元件壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的力敏元件，可測量是一種典型的力敏元件，可測量壓力、壓力、加速度、機械沖擊、振動加速度

2、、機械沖擊、振動等，廣泛應用于等，廣泛應用于聲學、力學、醫(yī)聲學、力學、醫(yī)學和宇航領域?qū)W和宇航領域，利用正壓電效應可以制成壓電電源和電壓，利用正壓電效應可以制成壓電電源和電壓發(fā)生器；利用逆壓電效應可制成超聲發(fā)生器和電聲器件。發(fā)生器；利用逆壓電效應可制成超聲發(fā)生器和電聲器件。 壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點是無靜態(tài)輸出，阻抗高，需壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點是無靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有要低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有250250左右。左右。8.1 8.1 壓電效應壓電效應 對某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表

3、面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，它又重新恢復為不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。 這種機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“正壓電效應”。 反之，在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場（加電壓） ，它會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場后，該物質(zhì)的變形隨之消失，把這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應”。 壓電效應動畫演示壓電效應動畫演示 具有壓電效應的電介物質(zhì)稱為壓電材料。 在自然界中，大多數(shù)晶體都具有壓電效應，然而大多數(shù)晶體的壓電效應都十分微弱。 石英晶體及鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等人造壓電陶瓷是性能優(yōu)良的壓電材料。 l 壓

4、電晶體（單晶）：包括壓電石英晶體和其它壓電單晶；l 壓電陶瓷（多晶體）：也稱多晶半導瓷，為極化處理的多晶體； 石英晶體：俗稱水晶，化學成分為SiO2，有天然和人工之分。 目前傳感器中使用的均是以居里點為573、晶體結(jié)構(gòu)為六角晶系的石英。 石英晶體的外形（a） 天然石英晶體；（b） 人工石英晶體；（c） 右旋石英晶體的理想外形m柱面 R大棱面 r小棱面 s棱界面 x棱角面8.1.1 8.1.1 石英晶體的壓電效應石英晶體的壓電效應 v 光軸： z 軸是晶體的對稱軸，此軸可用光學方法確定，光線沿 z 軸通過晶體，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而以它作為基準軸，故稱為光軸（中性軸）；v 電軸： 經(jīng)過六棱柱棱線

5、垂直于光軸 z 的 x 軸，此軸上的壓電效應最強，故稱為電軸，共有三個；v 機械軸： 垂直于光軸 z 和電軸 x 的 y 軸，在電場作用下沿該軸方向的機械變形最明顯，故稱為機械軸（力軸），共有三個。v 當在電軸 x 方向施加作用力Fx時，在與電軸（x）垂直的平面上將產(chǎn)生電荷 qx ，其大小為 xxfdq11 d11 x 軸方向受力的壓電系數(shù)； （d11 =2.3110-12C/N，對右旋石英晶體，受壓時取+，受拉時取-）v 若在同一切片上，沿機械軸y 方向施加作用力fy ，則仍在與x 軸垂直的平面上將產(chǎn)生電荷qy： yyyfhldfhldq1112 d12y 軸方向受力的壓電系數(shù)，因石英軸對稱

6、，所以d12 =d11； l，h晶體片的長度和厚度。 電荷qx 和qy 的符號由受壓力還是拉力決定。 qx 的大小與晶體片幾何尺寸無關，而qy 則 與晶體片幾何尺寸有關。 當石英晶體未受外力作用時（不產(chǎn)生形變），帶有4個正電荷的硅離子和帶有22個負電荷的氧離子在 xy 平面上的投影正好分布在正六邊形的頂角上，形成3個大小相等，互成120夾角的電偶極矩P P1、P P2和P P3（矢量）。P Pql l，q為電荷量，l 為正、負電荷之間距離。方向從負電荷指向正電荷。此時，正、負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P P1P P2P P3=0，電荷平衡，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。 v

7、當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時（厚度變形），將產(chǎn)生如圖b所示壓縮變形，正、負離子的相時位置隨之變動，正、負電荷中心不再重合。硅離子（1）被擠入氧離子（2）和（6）之間，氧離子（4）被擠入硅離子（3）和（5）之間，電偶極矩在 x 軸方向的分量（P1P2P3）x 0，（P1P2P3）y= 0，（P1P2P3）z= 0，結(jié)果在x軸負向呈負電荷，在x 軸正向呈正電荷； 如果在 x 軸方向施加拉力（長度變形），如圖c所示。結(jié)果與之相反，在x 軸正向呈負電荷，在x 軸負向呈正電荷。 這種沿x軸施加力，而在垂直于x軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“縱向壓電效應”。v 當石英晶體受到沿 y 軸方向的壓力作用

8、時（長度變形），晶體產(chǎn)生如圖c所示變形。電偶極矩在x軸方向的分量（P1P2P3）x3時就可時就可 以以 認為認為 Uim與與 無關。無關。 icamimCCCdFU)( 結(jié)論：結(jié)論：2.電荷放大器 電荷放大器是一個有反饋電容Cf 的高增益運算放大器。當略去Ra 和Ri 并聯(lián)等效電阻R后，壓電傳感器常使用的電荷放大器可用如圖所示的等效電路表示。圖A為運算放大器的開環(huán)增益。由于運算放大器具有極高的輸入阻抗，因此放大器的輸入端幾乎沒有分流，電荷Q只對反饋電容Cf 充電，充電電壓接近放大器的輸出電壓，即 fCfCqUUo式中 Uo 放大器輸出電壓； UCf 反饋電容兩端的電壓n輸出電壓與電纜電容Cc無

9、關（反饋電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性都很好）n與q成正比n這些優(yōu)點使得壓電傳感器基本上都用電荷放大器作為轉(zhuǎn)換電路。 AuoCiqCaCeCr優(yōu)點：壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)和可逆兩種重要性能，體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信噪比高，特別適合于動態(tài)測量。缺點：無靜態(tài)輸出，要求有很高的電輸出阻抗，需用低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度在250 左右。 廣義地講，凡是利用壓電材料各種物理效應構(gòu)成的各種傳感器，都可稱為壓電式傳感器，它們已被廣泛地應用在工業(yè)、軍事和民用等領域。 8.4 8.4 壓電式傳感器應用舉例壓電式傳感器應用舉例 1 1. .壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感

10、器 2 2. .壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 3 3. .用壓電式傳感器測表面粗糙程度用壓電式傳感器測表面粗糙程度4 4. .壓電式玻璃破碎報警器壓電式玻璃破碎報警器 5 5. .壓電式煤氣灶電子點火裝置壓電式煤氣灶電子點火裝置 6 6. .微重力壓電晶體生物傳感器微重力壓電晶體生物傳感器 7 7. .壓電血壓傳感器壓電血壓傳感器 8 8. .醫(yī)用電子鼻醫(yī)用電子鼻 利用正壓電效應可研制成壓電電源（煤氣灶和汽車發(fā)動機的自動點火裝置等多種電壓發(fā)生器）；在測試技術中，壓電轉(zhuǎn)換元件是一種典型的力敏元件，能測量最終可變換為力的有關物理量，例如壓力、位移、加速度、機械沖擊和振動等，因此在聲學、力學

11、、醫(yī)學和宇航等廣闊領域中都可見到壓電式傳感器的應用。 利用逆壓電效應可制成多種超聲波發(fā)生器和壓電揚聲器等。 利用正、逆壓電效應可制成壓電陀螺、壓電線性加速度計、壓電變壓器、聲納和壓電聲表面波器件等。 壓電式測力傳感器在直接測量拉力或壓力時，通常多采用雙片或多片石英晶體作壓電元件。按測力狀態(tài)分為單向力、雙向力和三向力傳感器。 1 1壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 壓力傳感器圖片壓力傳感器圖片 單向壓電石英力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。壓電元件采用xy（即0X）切型石英晶片，利用其縱向壓電效應，通過d11實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。它用兩塊晶片（81mm）作傳感元件，被測力通過傳力上蓋（1）使石英晶片（2）沿電軸方

12、向受壓力作用，由于縱向壓電效應使石英晶片在電軸方向上出現(xiàn)電荷，兩塊晶片沿電軸方向并聯(lián)疊加，負電荷由片形電極（3）輸出，壓電晶片正電荷一側(cè)與底座連接。兩片并聯(lián)可提高其靈敏度。壓力元件彈性變形部分的厚度較薄，其厚度由測力大小決定。這種結(jié)構(gòu)的單向力傳感器體積小、重量輕（僅10g），固有頻率高（約5060kHz），可檢測高達5000N的動態(tài)力，分辨率為10-3 N。 1). 單向力傳感器單向力傳感器 1 傳力上蓋2 石英晶片3 電極4 底座5 電極引出插頭 6 絕緣材料雙向力傳感器雙向力傳感器 雙向力傳感器基本用于測量垂直分力Fz 與切向分力Fx 或Fy，以及測量互相垂直的兩個切向分力，即Fx和Fy

13、。無論哪一種測量，傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似。圖（a）為雙向壓電石英晶片的力傳感器的結(jié)構(gòu)。兩組石英晶片分別測量兩個分力，下面一組采（a）雙向力石英傳感器 （b）厚度剪切的yx（ 0 Y ）切型 用xy（0X）切型，通過 d11 實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換，測量軸向力Fz ；上面一組采用 yx（0Y）切型，晶片的厚度方向為y 軸方向，在平行于x 軸的剪切應力6（在 xy 平面內(nèi)）的作用下，產(chǎn)生厚度剪切變形。所謂厚度剪切變形是指晶體受剪切應力的面與產(chǎn)生電荷的面不共面，如圖（b）所示。這一組石英晶體通過 d26 實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換來測量Fy 。三向力傳感器三向力傳感器 （a）結(jié)構(gòu) （b）壓電組件 （c） x，y，z雙晶片 壓

14、電組件為三組雙晶片石英疊成并聯(lián)方式。它可以測量空間任一個或三個方向的力。三組石英晶片的輸出極性相同。其中一組取xy（0X）切型晶片，利用厚度壓縮縱向壓電效應 d11 來實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換，測量主軸切削力Fz ；另外兩組采用厚度剪切變形的yx（0Y）切型晶片，利用剪切壓電系數(shù) d26 來分別測量 Fy 和 Fx 。由于 Fy 和 Fx 正交，因此，這兩組晶片安裝時應使其最大靈敏軸分別取向 x 和 y 方向。 2 2）壓電式壓力傳感器測量沖床壓力）壓電式壓力傳感器測量沖床壓力 3 3）壓電式壓力傳感器測量金屬加工）壓電式壓力傳感器測量金屬加工 切削力切削力 圖8.11 沖床壓力檢測圖8.10 2壓電式刀

15、具切削力測量示意圖 2.壓電式加速度傳感器 用于測量加速度的傳感器種類很多，壓電式加速度傳感器是一種最常用的加速度計（80以上）。具有一系列優(yōu)點：體積小，重量輕，堅實牢固，有較好的頻率響應（幾千赫幾十千赫），如果配以電荷放大器，低頻響應也很好（可低至零點幾赫），測量范圍大（加速度為10-510-4 g，g 為重力加速度 9.8ms2）等。加速度傳感器圖片 因為 F = ma （m 為重塊質(zhì)量，a 為加速度），當傳感器選定后，m為常數(shù)，所以傳感器輸出電荷為 madFdQijij Q 與加速度 a 成正比。 因為，壓電傳感器的輸出電壓為 ，若傳感器中電容量 C 不變，那么 ，因此，可以用電壓值表示

16、測量的加速度。 CQU CmadUij 壓電元件（一般由兩片壓電晶片并聯(lián)）置于基座上，其上面加一塊比重較大的質(zhì)量塊，質(zhì)量塊上用彈簧壓緊，從而對壓電晶片施加預應力。 測量加速度時，被測物件與傳感器剛性固定在一起，質(zhì)量塊也受加速度的作用產(chǎn)生一個與加速度成正比的慣性力 F 作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷Q。3 3用壓電式傳感器測表面粗糙程度用壓電式傳感器測表面粗糙程度圖8.14 表面粗糙度測量 4 4壓電式玻璃破碎報警器壓電式玻璃破碎報警器 圖8.14 壓電式玻璃破碎報警器電路框圖 圖8.13 BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器 5 5壓電式煤氣灶電子點火裝置壓電式煤氣灶電子點火裝置 圖8.15 壓電式

17、煤氣灶點火裝置 小 結(jié) 某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r，內(nèi)部就產(chǎn)某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生相反的電荷；當外力去生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生相反的電荷；當外力去掉后，電介質(zhì)又重新恢復為不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，掉后，電介質(zhì)又重新恢復為不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，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，這種現(xiàn)象被稱為成正比，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應壓電效應。 壓電傳感器壓電傳感器是一種電能量型傳感器，它的工作原理是基于是一種電能量型傳感器，它的工作原理是基于某些電介質(zhì)的壓電效應。某些電介質(zhì)的壓電效應。 壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號卻很微弱，因此壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號卻很微弱，因此其一般不能直接顯示和記錄。所以，壓電傳感器要求其一般不能直接顯示和記錄。所以，壓電傳感器要求測量電路測量電路的的前級輸入端要有足夠高的阻抗，以防