第7章 壓電傳感器9

1、第七章第七章 壓電傳感器壓電傳感器 壓電陶瓷芯7.1 壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)加力而使其變形時，在表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后又重新回到不帶電狀態(tài)。 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)：向壓電介質(zhì)的極化方向施加電場時，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形和機械力，當(dāng)外加電壓撤去時，這些變形力是隨之消失。 常用常用的壓電晶體材料：石英晶體，鈦酸的壓電晶體材料：石英晶體，鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等。鋇，鋯鈦酸鉛等。 + +- - -EFF7.1.1 壓電效應(yīng)表達(dá)式 當(dāng)壓電元件受到外力作用時，在相應(yīng)的表面產(chǎn)生電荷q qdFd為壓電系數(shù)，描述壓電效應(yīng)的物理量。 例：若在x軸方向施加作用力F

2、x時，則在垂直x軸平面上產(chǎn)生電荷q，則大小為： qxd11Fx qidijj i1，2，3表示晶體的極化方向j1，2，3，4，5，6分別表示沿x,y,z方向的垂直應(yīng)力和垂直于x，y，z軸平面的剪切應(yīng)力，xYZ光軸 機械軸 電軸 7.1.2 石英晶體的壓電機理 石英晶體的壓電機理與其內(nèi)石英晶體的壓電機理與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，石英晶體的成部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)，石英晶體的成分為分為SiOSiO2 2，在一個晶體單元中，在一個晶體單元中，有三個硅離子有三個硅離子SiSi4+4+和六個氧離子和六個氧離子O O2-2-組成。組成。OooSiSiSi1.當(dāng)沒有力作用時當(dāng)沒有力作用時，SiSi與與O O在垂直于晶體

3、在垂直于晶體z z軸的軸的x x，y y平平面上的投影恰好等效為正六邊形排列，正負(fù)離子正好面上的投影恰好等效為正六邊形排列，正負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，在無電場（即無外力作用分布在正六邊形的頂角上，在無電場（即無外力作用下）作用下，正，負(fù)電荷中心重合，電矩（電偶極矩）下）作用下，正，負(fù)電荷中心重合，電矩（電偶極矩）的矢量和的矢量和P P0 0。晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈中性晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈中性氧離子是成氧離子是成對的，一個對的，一個硅離子和兩硅離子和兩個氧離子交個氧離子交替排列成正替排列成正六邊形六邊形只有在一定的力作用下，正、只有在一定的力作用下，正、負(fù)電荷中心不重合，負(fù)電荷中心不

4、重合，P0。晶體表面將產(chǎn)生電荷晶體表面將產(chǎn)生電荷2.當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向產(chǎn)生壓縮變形時，正、負(fù)離子的相對位置隨之變動，正負(fù)電荷中心不重合。電矩：OOOSiSiSiFx+ +-ABOOOSiSiSiFy-+ +ABP1P2P30 縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)3.當(dāng)石英晶體受沿y軸方向的壓力時，電矩：P1P2P30 4.當(dāng)石英晶體在z軸方向受力作用時，由于晶體在x軸和y軸方向產(chǎn)生的變形相同，硅離子和氧離子是對稱平移，正、負(fù)電荷中心始終保持重合，電矩P1P2P3=0 z軸方向受力石英晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 7.3測試電路 7.3.1 壓電傳感器的等效電路壓電傳感器的等效電路 當(dāng)壓

5、電晶體受力時，在晶片的兩個表面聚集等量的當(dāng)壓電晶體受力時，在晶片的兩個表面聚集等量的正、負(fù)電荷，相當(dāng)于平行板電容器，容量為正、負(fù)電荷，相當(dāng)于平行板電容器，容量為Ca=S/dS極板面積極板面積 d晶體片厚度晶體片厚度 壓電材料的介電常數(shù)壓電材料的介電常數(shù) UCaqCa把壓電傳感器等效為一個電壓源Uq/Ca和一只電容串聯(lián)，只有外電路負(fù)載在無窮大時，且內(nèi)部無漏，受力產(chǎn)生的電壓U才能長期保持不變，如果負(fù)載不是無窮大，則電路就要以時間常數(shù)RL、Ca按指數(shù)現(xiàn)象放電。把壓電傳感器等效為一把壓電傳感器等效為一個電荷源個電荷源q qCaUCaU和一只電容并聯(lián)和一只電容并聯(lián)。 根據(jù)前面的等效電路，前置放大器，有兩

6、種形式電壓放大器和根據(jù)前面的等效電路，前置放大器，有兩種形式電壓放大器和電荷放大器。壓電傳感器在實際使用時，總要與測量儀的測量電電荷放大器。壓電傳感器在實際使用時，總要與測量儀的測量電路相連。因此必須路相連。因此必須考慮放大器的輸入電阻考慮放大器的輸入電阻Ri和輸入電容和輸入電容Ci傳感器傳感器的漏電阻的漏電阻Rd，接連電纜的等效電容，接連電纜的等效電容Ce，UCaCeCiRiRdqCaCeCiRiRdUCaCRqCR7.3.2測量電路 1）放大傳感器的微弱信號。）放大傳感器的微弱信號。 2）將高輸入阻抗變換為低阻抗輸出。）將高輸入阻抗變換為低阻抗輸出。 1. 電壓放大器 RRd/Ri CCe

7、+Ci 設(shè)壓電元件受到應(yīng)變力 FFmSinwt 產(chǎn)生的電壓 uUmSinwt Um為電壓幅值：Um=q/Ca q=dF UmdF/Ca UCaCRUi-+U0R1Rf同向運算放大器則送入放大器的輸入電壓Ui為（寫成復(fù)數(shù)形式）C/RRC/dFUai總阻抗aaacj1cRj1Rcj1Rcj1Rcj1C/RCR總阻抗）（aiCCcRjRjdFU1結(jié)論1.如果壓電器件上作用靜態(tài)力w=0時，Ui為0，說明壓電式傳感器不能測靜態(tài)力，因為壓電器件上產(chǎn)生的微弱電量通過Ra,Ri漏掉，只有動態(tài)力作用時，電荷不斷補充，加上高輸入阻抗，電荷才能得以保存下來，送入前置放大器。2.電纜線的電容Ce(C=Ce+Ci)對測

8、試有影響，Ce大，Ui下降，Uo下降對輸出有一定影響2.2.電荷放大器電荷放大器 電荷放大器實質(zhì)上是負(fù)反饋放大器.若不考慮R、Rf，則電荷q分布在C0 、Cf兩個電容上。qC0R-+RfCfU0f0i0iC)UU(CUqi0AUUf00C)A1(CAqU0fqUC 0fCC)A1(aeiCCCC0優(yōu)點：壓電元件本身輸出電壓只取優(yōu)點：壓電元件本身輸出電壓只取決于輸入電荷決于輸入電荷q以及反饋電路的參數(shù)以及反饋電路的參數(shù)Cf，而與電纜線的電容無關(guān)。，而與電纜線的電容無關(guān)。為了得到必要的測量精度，要求為了得到必要的測量精度，要求Cf的溫度和時間穩(wěn)定性都很好，的溫度和時間穩(wěn)定性都很好，在實際電路中，在

9、實際電路中，CF的容量做成可選擇的，范圍一般為的容量做成可選擇的，范圍一般為10010000pF 。7.4壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式 7.4.1壓電元件的基本變形 1.厚度變形（縱向壓電效應(yīng)）稱TE方式 q1d111（x方向變力）2.2.長度變形 （橫向壓電效應(yīng)）稱LE方式 q2d122（y方向變力） F+-+F-+-+-3.面剪切變形（FS方式） q1d1444.厚度剪切變形 q2d266 7.4.2 雙晶面元件 在實際使用中，如僅用單片壓電片工作，要產(chǎn)生足夠的表面電荷就要有很大的作用力，常把兩片或兩片以上的壓電片組合在一起。 由于壓電材料是有極性的，因此存在并聯(lián)和串聯(lián)兩種接法，并聯(lián)接法時，中間應(yīng)

10、加入一銅電式銀片作為引出電極。 + +7.5其它壓電式傳感器7.5.1聲表面波傳感器 SAWS的轉(zhuǎn)換元件是的轉(zhuǎn)換元件是聲表面波聲表面波振蕩的基片，是由振蕩的基片，是由石英晶體、壓電陶瓷等構(gòu)成。石英晶體、壓電陶瓷等構(gòu)成。延遲線型延遲線型 在信號處理中，經(jīng)常要把信號延遲一段時間。例如：在信號處理中，經(jīng)常要把信號延遲一段時間。例如：彩電中，彩電中，色度信號和亮度信號同時輸入，進入電視色度信號和亮度信號同時輸入，進入電視后再分離開，色度信號滯后與亮度信號，后再分離開，色度信號滯后與亮度信號，為了同步，為了同步，在亮度信號中加延遲線。在亮度信號中加延遲線。 方法方法1 1：把電信號通過一段電纜后取出，得

11、到延遲。：把電信號通過一段電纜后取出，得到延遲。n方法2：由于聲表面波的速度比電磁波速度慢5個數(shù)量級。因此亮度信號用亮度信號用聲表面波聲表面波的傳播來獲得信號的傳播來獲得信號延遲。延遲。這樣可使延遲線尺寸縮小，而得到大的時間延遲。 聲表面波振蕩器是由延遲線和放大電路組成。在拋光的壓電基片上放置兩個金屬叉指換能器。T1T2Lv若在輸入換能器若在輸入換能器T1上加電信號，上加電信號，由逆壓電效應(yīng)在基片表面激勵起由逆壓電效應(yīng)在基片表面激勵起表面波，傳播到表面波，傳播到換能器換能器T2轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成電信號經(jīng)放大后，反饋到電信號經(jīng)放大后，反饋到T1，以，以便保持振蕩狀態(tài)，延遲時間便保持振蕩狀態(tài)，延遲時間的

12、的大小取決于聲表面波的速度大小取決于聲表面波的速度v v和和兩兩T T1 1、T T2 2之間的距離，即之間的距離，即L/vL/vv例如：若例如：若L L10cm10cm，鈦酸鋇材料的聲表面波鈦酸鋇材料的聲表面波 v v1.671.67* *10105 5/S/S 60uS60uS 7.5.2超聲波傳感器 1 超聲波頻率在16102-4Hz之間，能為人耳所聽的機械波為聲波聲波. 低于16Hz的機械波稱為次聲波次聲波高高于2*104Hz的超聲波超聲波2. 特點 (1)超聲波在液體、固體中穿透能力強，特別是對不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。 (2)當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于

13、在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，則在介質(zhì)面上產(chǎn)生反射，折射，以及波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象 (3)聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。 3.超聲波傳感器原理 利用超聲波的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置可稱為超聲波換能器、 探測器或傳感器。 超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、 磁致伸縮式.電磁式等, 而以壓電式最為常用。 壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷。它是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的: 逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動, 從而產(chǎn)生超聲波, 可作為發(fā)射探頭; 而利用正壓電效應(yīng), 將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號, 可用為接收探頭。7.67.6壓電傳感器應(yīng)用壓電傳感器應(yīng)用 超聲波

14、在流體中傳輸時超聲波在流體中傳輸時, 在靜止流體和在靜止流體和流動流體中的傳輸速度是不同的流動流體中的傳輸速度是不同的, 利用這利用這一特點可以求出流體的速度一特點可以求出流體的速度, 再根據(jù)管道再根據(jù)管道流體的截面積流體的截面積, 便可知流體的流量便可知流體的流量1.超聲波時差法測流量超聲波時差法測流量 A為發(fā)射探頭，B為接收探頭。設(shè)液體的平均流速為v，c為超聲波在流體中的速度，為超聲波傳播方向與流動方向的夾角。 流體流速順流時，附加在超聲波速上的速度為vcos，則超聲波的傳播速度為c+vcos，則順流傳播時間t1為cosCLt1 B為發(fā)射探頭，A為接收探頭時，于是逆流傳播時間t2 cosC

15、Lt2LvABDBn時差C 超聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動的特點, 可測流體種類很多, 不論是非導(dǎo)電的流體、 高粘度的流體 只要能傳輸超聲波的流體都可以進行測量。22222cos2coscos2coscos1cLvvcLvvcLvcLttttcosBD2ctcosL2cv2222得管內(nèi)流速為： 2. 液位測量 2vth = （s2-a2）1/2只要測得超聲波脈沖從發(fā)射到接收的間隔時間, 便可以求得待測的液位超聲波超聲波液面控制 在實際中，有時只需要知道液面是否升到或降到某個固定高度，從而實現(xiàn)定點報警式液面控制。 聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。當(dāng)探頭發(fā)射面分別與氣體或液體

16、接觸時，發(fā)射電路中通過的電流也明顯不同。從而來判斷探頭前是氣體還是液體。55512v210.01468120k1003k超聲波發(fā)送電路超聲波接受電路mA12v390k147k10k103.9k301AJA+-V+控制電路 當(dāng)傳感器感受振動時，質(zhì)量塊感受與傳感器基座當(dāng)傳感器感受振動時，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到加速度的慣性力相同的振動，并受到加速度的慣性力F Fmama。同時慣性同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運動方向21345縱向效應(yīng)型加速度縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖傳感器的截面圖3. 3. 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 結(jié)構(gòu)一般

17、有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見的。的。壓電陶瓷壓電陶瓷4 4和質(zhì)量塊和質(zhì)量塊2 2為環(huán)型，通過為環(huán)型，通過螺母螺母3 3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座電陶瓷上。測量時將傳感器基座5 5與被測與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極極1 1引出。引出。qdFdmaBG作電平轉(zhuǎn)換，即比較器輸出高電平時，A點輸出為低電平 二極管 可稍微增加延后導(dǎo)通電壓輸出（抗干擾）第二級為電壓比較器 VR1為調(diào)節(jié)考慮點的沖擊閾值（

18、即沖擊超過某一值時，才有信號輸出） C3為隔離電容 第一級放大器是電壓放大器，R2、 R3決定了放大器增益、R4、C2濾去高頻雜音 C1、R1組成高通濾波器，用以排除直流成分及溫度漂移的影響 G1A型壓電加速度傳感器 A輸入低電平555產(chǎn)生振動 報警電路4. 4. 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1 1、殼體、殼體2 2、基座基座3 3、壓電晶片、壓電晶片4 4、受壓膜片、受壓膜片5 5及導(dǎo)電片及導(dǎo)電片6 6組成。當(dāng)膜片組成。當(dāng)膜片5 5受到壓力受到壓力P P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷壓電片上所產(chǎn)生的電荷q q為為 SPdFdq1111F作用于壓電片上的力；d11壓電系數(shù)；P壓強， ；S膜片的有效面積。SFP 123456p壓電式測壓傳感器原理圖壓電式測壓傳感器原理圖 傳感器的輸入量壓力傳感器的輸入量壓力為為P，如果傳感器只由一個壓電如果傳感器只由