傳感器原理及應用(第3版) 王華翔 第5章 壓電式傳感器

1、第5章 壓電式傳感器電阻、電容、電感式傳感器是無源器件，需要外加電源才能產(chǎn)生電信號輸出。壓電式傳感器是有源的自發(fā)電型傳感器，在被測量（如力）作用下，能夠產(chǎn)生靜電電荷或電壓。特點：測量頻帶高、靈敏度高、結構簡單，工作可靠。燃氣灶點火裝置潛艇聲納（換能器）：能夠接受聲波信號，并轉換為電信號第1節(jié) 壓電效應壓電效應某些電介質，當沿著一定方向對其施加力而使它變形，在它的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，重新恢復不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。在電介質的極化方向施加電場，這些電介質會發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。具有壓電效應的材料稱為壓電材料，石英晶體、壓電陶瓷。一、石英晶體的壓電效應晶體

2、具有各向異性，需確定參考方向X軸：經(jīng)過六棱柱棱線，平分內夾角。在此軸方向施加力，在垂直該軸表面產(chǎn)生電荷最明顯。“電軸”Y軸：垂直于六棱柱對邊的軸線。在外加電場作用下，此軸方向機械形變最明顯。“機械軸”Z軸：垂直于X,Y的縱軸，此方向沒有壓電效應?！肮廨S”石英晶體（SiO2）單元結構沒有外力時，硅離子和氧離子對稱分布在正六邊形頂點。電偶極子與電偶極距兩個大小相等的正負電荷距離很近時，稱為電偶極子。電偶極距為電量與距離的乘積 由負電荷指向正電荷l qP0321PPP0XF0XF0XF0321XPPP0321YPPP0321ZPPP0321YPPP0321ZPPP0321XPPP二、壓電陶瓷的壓電效

3、應壓電陶瓷是以鈦酸鉛等礦物粉碎后，經(jīng)1000度以上高溫燒結而得到的人工晶體。壓電陶瓷內部由很多自發(fā)極化的小電疇構成。由于電疇排布雜亂，對外無電性。使用前，放置到電場中進行極化，電疇方向轉向一致。電場去除后，存在剩余極化強度極化后的壓電陶瓷存在剩余極化強度，但為何測不出電量？極化后的壓電陶瓷表面吸附了外界的自由電荷中和和剩余極化強度使用壓電陶瓷時加外力，d減小，極化強度減小，表面電荷釋放，放電放電。外力去除，極化強度恢復，重新吸附電荷，充電充電。機械能 電能外加同向電場，極化強度增大，正負電荷距離增大，陶瓷片沿極化方向伸長。石英晶體和壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應的原理不同！石英晶體：外力導致晶體單元結構

4、變化，正負等效電荷中心分離，發(fā)生極化，導致晶體表面出現(xiàn)電荷。壓電陶瓷：電疇在進行初始極化后，存在剩余極化強度，在表面吸附了自由電荷。在受到外力時，極化強度變化，發(fā)生充放電現(xiàn)象。三、壓電常數(shù)和表面電荷的定量計算當晶片受到沿X軸方向的壓縮應力 晶片厚度變形，發(fā)生極化現(xiàn)象，極化強度XXlbFddPXXXXX111111d壓電系數(shù)同時，極化強度等于晶面上的電荷密度lbqPXXXXXFdq11晶面電荷密度極間電壓XXXXXCFdCqU11tlbCrX0逆壓電效應：在晶體兩端施加電壓，形變?yōu)閄Udt11XXEdtUdtt1111第2節(jié) 壓電材料什么樣的電介質適合做壓電材料？1. 具有較大的壓電常數(shù)壓電常數(shù)

5、。其越大，靈敏度越高。2. 具有良好的機械性能機械性能。要求機械強度大，彈性好， 適合力和高頻測量。3. 具有高電阻率電阻率和介電常數(shù)介電常數(shù)。電阻大，產(chǎn)生的電荷不易 泄露。大介電常數(shù)，適合低頻變量測量4. 具有較高的居里點居里點。當環(huán)境溫度高于某材料的居里點 時，材料的壓電效應消失。dSCCLCf21第3節(jié) 壓電式傳感器的測量電路一、等效電路壓電傳感器在受力時，電極表面會出現(xiàn)電荷，且極性相反電量相同，是一個電荷源。同時石英晶體和壓電陶瓷為絕緣體，兩個表面為電極，又可以看作為電容器（有源）。FtStSCra0壓電傳感器兩極板間的電壓電荷關系為：aaCqU輸出電量根據(jù)需要，即可以是電荷也可以是電

6、壓。需輸出電荷時，等效為電荷源與電容并聯(lián)的電荷等效電路需輸出電壓時，等效為電壓源與電容串聯(lián)的電壓等效電路測量電路對應有：電荷放大器電壓放大器由于外接負載電阻不可能無窮大，壓電材料自身有微弱導電性，受力產(chǎn)生的電荷會逐漸“漏損”。必須在變化力的作用下，電荷才會不斷產(chǎn)生和補充。不適合測量靜態(tài)變量考慮連接導線的等效電阻，電容；前置放大器的輸入電阻電容的完整等效電路如下：二、測量電路測量電路的兩個作用：信號放大和阻抗匹配電壓放大器：輸出電壓與壓電元件電壓成正比電荷放大器：輸出電壓與壓電元件電荷成正比（1）電壓放大器iaiaRRRRRicCCCaaCqUtFmsinF壓電元件受力為在外力作用下，壓電元件電

7、壓為：tCFdUamasin33Ui為R/C后和Ca一起對Ua進行分壓，得：aiCCRjRjd133FU其幅值為：22233)(1icamimCCCRRFdUU Ui與F F 的相位差為：)(arctan2icaCCCRicaCCCR/10icammimCCCFdRFdU332033/1當作用力變化頻率很高時1/0 ，電壓輸出Ui與作用力頻率無關，高頻特性好！3/0要求電壓放大器不僅對高頻交變力效果好，對變化緩慢的被測量（低頻）也有好的效果，怎么辦？小，但還要求 ，減小測量電路的固有頻率3/00即icaCCCR電壓放大器的靈敏度22233)(1icamimCCCRRFdU22331icamimuCCCRdFUKicaaCCCdK331RicaCCCRRORicaCCC可行增大前置放大電路的內阻Ri可以改善傳感器的低頻特性。（2）電荷放大器電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器。FFFFFFSCRACAjURCjUAURCjUUi11111000FCAC) 1(0FRAR/1) 1(/10FaFaCACjRARqjU001111FcaFaSCCACCjRARqAjUAU00001111等效電流FFSCCqCAqAU001FFCR/110A結論：電荷放大器輸出電壓與電荷成正比第4節(jié) 壓電式傳感器的應用一、壓電元件的串并聯(lián)使用單片壓電元件產(chǎn)生的電荷電壓很小，通常把兩片或更多片壓電