第七章壓電式傳感器

1、現(xiàn)代檢測技術現(xiàn)代檢測技術 壓電式傳感器壓電式傳感器精勤求學 敦篤勵志 果毅力行 忠恕任事Xian Jiaotong University 壓電式傳感器是一種典型的壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（發(fā)電型、有源傳感器（發(fā)電型、自源型）自源型），既可以將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，又能將電能轉(zhuǎn)，既可以將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，又能將電能轉(zhuǎn)變成機械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的變成機械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應壓電效應。qd F 壓電常數(shù)壓電常數(shù)d與材料和機械與材料和機械形變方向有關，形變方向有關，q的極性與變的極性與變形的形式有關。形的形式有關。 壓電效應可逆性壓壓電電元元件件機械量電量壓電式傳感器

2、壓電式傳感器能夠測量與力有關的物理量，如能夠測量與力有關的物理量，如壓力、加速度壓力、加速度。Xian Jiaotong University某些材料（如石英）當沿著一定方向施加力變形，由某些材料（如石英）當沿著一定方向施加力變形，由于材料分子不具備中心對稱性，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同于材料分子不具備中心對稱性，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，重新恢復到不帶電狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為重新恢復到不帶電狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為正壓電效應正壓電效應。壓電效。壓電效應是可逆的。應是可逆的。 逆壓電效應逆壓電效應是指當壓電材料沿

3、一定方向受到電場作用是指當壓電材料沿一定方向受到電場作用時，相應的在一定的晶軸方向?qū)a(chǎn)生機械變形或機械應力，時，相應的在一定的晶軸方向?qū)a(chǎn)生機械變形或機械應力，又稱又稱電致伸縮效應電致伸縮效應。當外加電場撤去后，晶體內(nèi)部的應力。當外加電場撤去后，晶體內(nèi)部的應力或變形也隨之消失?；蜃冃我搽S之消失。壓電效應壓電效應Xian Jiaotong University縱軸縱軸 z-z稱作稱作光軸光軸，通過六棱柱棱線而垂直通過六棱柱棱線而垂直于光軸的軸線于光軸的軸線x-x稱作稱作電軸電軸，垂直于棱面的軸，垂直于棱面的軸線線 y-y稱作稱作機械軸。機械軸。 每個晶體單元中，每個晶體單元中，具有具有3 3個硅

4、離子和個硅離子和6 6個氧個氧離子，氧離子是成對的，離子，氧離子是成對的，構成六邊的形狀。在沒構成六邊的形狀。在沒有外力的作用時，電荷有外力的作用時，電荷互相平衡，外部沒有帶互相平衡，外部沒有帶電現(xiàn)象。電現(xiàn)象。壓電效應壓電效應Xian Jiaotong University壓電效應壓電效應右圖：硅氧離子排列示意圖右圖：硅氧離子排列示意圖 下圖：石英晶體壓電效應示意圖下圖：石英晶體壓電效應示意圖P1、P2、P3 偶極矩偶極矩1230PPP1230XPPP1230XPPP壓力壓力 拉力拉力 Xian Jiaotong University縱向壓電效應縱向壓電效應：沿電軸：沿電軸(x軸軸)施加作用力

5、，電荷出現(xiàn)在與施加作用力，電荷出現(xiàn)在與x軸相垂軸相垂直的表面上。直的表面上。橫向壓電效應橫向壓電效應：沿機械軸：沿機械軸(y 軸軸)施加作用力，電荷仍出現(xiàn)在與施加作用力，電荷仍出現(xiàn)在與x 軸相垂直的表面上，但極性相反。軸相垂直的表面上，但極性相反。橫向效應（垂直極化）橫向效應（垂直極化）縱向效應（平行極化）縱向效應（平行極化）石英晶體石英晶體壓電效應壓電效應Xian Jiaotong University壓電效應壓電效應石英晶體切片石英晶體切片 當受到沿當受到沿X軸方向的應力軸方向的應力FX時，產(chǎn)生的時，產(chǎn)生的極化電荷極化電荷為：為：極間電容極間電容為：為：極間電壓極間電壓為：為：晶體在晶體在

6、X方向產(chǎn)生方向產(chǎn)生電致伸縮電致伸縮，厚度變形，厚度變形為：為：11XXqd F0rXlbCt XXXqUC11Xtd U Xian Jiaotong University壓電效應壓電效應v 幾個結(jié)論幾個結(jié)論 無論是正或逆壓電效應，其作用力與電荷之間呈線性無論是正或逆壓電效應，其作用力與電荷之間呈線性關系；關系； 晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應；存在逆壓電效應； 石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應的。石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應的。Xian Jiaotong University1. 壓電常數(shù)壓電常數(shù)表示產(chǎn)

7、生電荷與作用力之間的關系；表示產(chǎn)生電荷與作用力之間的關系；2. 彈性模量彈性模量表示壓電元件的剛度，剛度越大，固有表示壓電元件的剛度，剛度越大，固有振動頻率越高；振動頻率越高；3. 電阻率電阻率電阻率越大，壓電元件內(nèi)阻越大，將減少電阻率越大，壓電元件內(nèi)阻越大，將減少電荷泄漏；電荷泄漏；4. 居里點居里點溫度超過居里點時，壓電材料的壓電性能溫度超過居里點時，壓電材料的壓電性能被破壞。居里點高，壓電元件的工作溫度范圍大。被破壞。居里點高，壓電元件的工作溫度范圍大。壓電材料主要特征參數(shù)壓電材料主要特征參數(shù) Xian Jiaotong University1. 壓電晶體壓電晶體性能優(yōu)良，壓電常數(shù)較小，

8、常做標準高精度性能優(yōu)良，壓電常數(shù)較小，常做標準高精度傳感器。傳感器。石英石英（SiO2）天然或人工合成。具有良好的機械強度和天然或人工合成。具有良好的機械強度和壓電效應。壓電系數(shù)較小，但壓電效應。壓電系數(shù)較小，但壓電系數(shù)的時間和溫度穩(wěn)定性壓電系數(shù)的時間和溫度穩(wěn)定性好好。在。在20200內(nèi)，溫度每升高內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減小，壓電系數(shù)僅減小0.016%，升高到，升高到200 時，僅減小時，僅減小 5% ，達到，達到573 時，失時，失去壓電特性，此溫度稱為石英的去壓電特性，此溫度稱為石英的居里點居里點。介電常數(shù)為。介電常數(shù)為4.5。主要壓電材料主要壓電材料 Xian Jiaotong U

9、niversity2. 壓電陶瓷壓電陶瓷如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，由如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛等，由多種材料經(jīng)燒結(jié)合成，制作方便，成本低。壓電常數(shù)多種材料經(jīng)燒結(jié)合成，制作方便，成本低。壓電常數(shù)一般比石英高數(shù)百倍?，F(xiàn)代壓電元件大多采用壓電陶一般比石英高數(shù)百倍。現(xiàn)代壓電元件大多采用壓電陶瓷。缺點是機械強度和居里點較低，高溫時容易老化，瓷。缺點是機械強度和居里點較低，高溫時容易老化，在一般工業(yè)廣泛應用。在一般工業(yè)廣泛應用。3. 高分子壓電材料高分子壓電材料如如聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氯）、聚氯乙?。ㄒ蚁。≒VC）等，易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不易）等，易于大量生產(chǎn)、面積大、

10、柔軟不易破碎，可制成陣列器件，價格便宜。破碎，可制成陣列器件，價格便宜。 用于微壓和機器用于微壓和機器人觸覺。人觸覺。4. 4. 壓電半導體壓電半導體具有壓電和半導體兩種特性，易于集成。具有壓電和半導體兩種特性，易于集成。主要壓電材料主要壓電材料 Xian Jiaotong University壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷極化處理前后電疇變化示意圖壓電陶瓷極化處理前后電疇變化示意圖Xian Jiaotong University壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷的壓電效應極化極化 正壓電效應正壓電效應 逆壓電效應逆壓電效應 Xian Jiaotong University壓電傳感器相當

11、于壓電傳感器相當于電荷發(fā)生器電荷發(fā)生器，或，或平板電容器平板電容器，其電，其電容量為：容量為：SC S 壓電片面積，壓電片面積，壓電材料介電常數(shù)，壓電材料介電常數(shù)，極板間距。極板間距。電容兩極板間開路電壓為：電容兩極板間開路電壓為：quC壓電式傳感器主要是壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應利用縱向壓電效應。等效電路等效電路 Xian Jiaotong University 壓電材料有很大內(nèi)阻壓電材料有很大內(nèi)阻R，等效為電壓源和電流源的，等效為電壓源和電流源的電路分別為：電路分別為：等效電路等效電路 Xian Jiaotong Universityw壓電傳感器本身產(chǎn)生的壓電傳感器本身產(chǎn)生的電荷量

12、很小電荷量很小，且傳感器本身的，且傳感器本身的內(nèi)阻很大內(nèi)阻很大，因此，因此輸出信號很微弱輸出信號很微弱，給后續(xù)測量電路提出很，給后續(xù)測量電路提出很高的要求。高的要求。w由于傳感器的內(nèi)阻及后續(xù)測量電路輸入電阻由于傳感器的內(nèi)阻及后續(xù)測量電路輸入電阻Ri非無限非無限大，電路將按指數(shù)規(guī)律放電，造成測量誤差。為了減小誤大，電路將按指數(shù)規(guī)律放電，造成測量誤差。為了減小誤差，差，Ri越大越好越大越好。w電荷泄漏使得利用壓電傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量非電荷泄漏使得利用壓電傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量非常困難。通常壓電傳感器常困難。通常壓電傳感器適宜作動態(tài)測量適宜作動態(tài)測量。w實際應用中為了增大輸出值，壓電傳感器往往

13、用兩個實際應用中為了增大輸出值，壓電傳感器往往用兩個或兩個以上的晶體或兩個以上的晶體串聯(lián)或并聯(lián)串聯(lián)或并聯(lián)：壓電傳感器測量電路特點壓電傳感器測量電路特點 Xian Jiaotong University并聯(lián)時，輸出電荷量大、并聯(lián)時，輸出電荷量大、電容大、時間常數(shù)大；電容大、時間常數(shù)大；適宜測量緩變信號和以電適宜測量緩變信號和以電荷輸出的場合。荷輸出的場合。串聯(lián)時，輸出電壓大、電串聯(lián)時，輸出電壓大、電容小、時間常數(shù)小。容小、時間常數(shù)小。適宜測量高頻信號和以電適宜測量高頻信號和以電壓輸出的場合。壓輸出的場合。測量電路測量電路 Xian Jiaotong University 電荷放大器電荷放大器的性

14、能穩(wěn)定，其輸出不受電纜分布電容的性能穩(wěn)定，其輸出不受電纜分布電容的影響。的影響。 由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器前置放大器：電壓放電壓放大器大器或或電荷放大器電荷放大器，對傳感器輸出的電壓或電荷信號進，對傳感器輸出的電壓或電荷信號進行放大處理，并實現(xiàn)阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗行放大處理，并實現(xiàn)阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榉糯笃鞯牡洼敵鲎杩?，再用一般的放大檢波電路輸變?yōu)榉糯笃鞯牡洼敵鲎杩?，再用一般的放大檢波電路輸入到指示儀表或記錄器。入到指示儀表或記錄器。 前

15、置放大器的作用：放大信號、阻抗變換前置放大器的作用：放大信號、阻抗變換測量電路測量電路 Xian Jiaotong University()(1)(1)FFFCiiCiCFiFFFUAuuUA uUCuCCA C 電荷放大器是一個電荷放大器是一個高增益帶電容負反饋的運算放大器高增益帶電容負反饋的運算放大器，其輸入阻抗極高。可將傳感器的漏電阻其輸入阻抗極高?？蓪鞲衅鞯穆╇娮鑂a和電荷放大器的和電荷放大器的輸入電阻輸入電阻Ri視為開路。視為開路。等效電路等效電路電荷放大器電荷放大器 （密勒效應）（密勒效應） Xian Jiaotong University 表明表明: 在一定條件下，電荷放大器的

16、輸出電壓與外力在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與外力成正比，與反饋電容成反比，而與成正比，與反饋電容成反比，而與Ca、Cc和和Ci無關。無關。(1)oiacifAqUAuCCCA C offqdUFCC 電荷放大器電荷放大器 Xian Jiaotong Universityu 能量轉(zhuǎn)換型傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器。u 體積小體積小，重量輕重量輕，剛性好剛性好，可以提高其固有頻率，可以提高其固有頻率，得到得到較寬的工作頻率范圍較寬的工作頻率范圍。u 靈敏度高靈敏度高，穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好，可靠可靠。u 有有比較理想的線性比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象。，且通常沒有滯后現(xiàn)象。u 低頻特性較差，低頻

17、特性較差，主要用于動態(tài)測量。主要用于動態(tài)測量。壓電式傳感器的特點壓電式傳感器的特點 Xian Jiaotong University力力壓壓力力M移移動動動態(tài)力、機械沖擊、振動、壓力、形變、加速度、動態(tài)力、機械沖擊、振動、壓力、形變、加速度、位位移傳感器移傳感器等。等。壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 Xian Jiaotong University 如左圖所示：當被測物如左圖所示：當被測物體與傳感器一起受到?jīng)_擊振體與傳感器一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力作用，根據(jù)牛頓第二定性力作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即：數(shù)

18、，即：F=ma傳感器輸出電荷為：傳感器輸出電荷為：QFma 壓電式傳感器應用最多的是測力，尤其是對沖擊、振動加速壓電式傳感器應用最多的是測力，尤其是對沖擊、振動加速度的測量。在眾多型式的測振傳感器中，度的測量。在眾多型式的測振傳感器中，壓電加速度傳感器占壓電加速度傳感器占80%以上以上，如，如金屬加工切削力傳感器、玻璃破碎報警器等應用。金屬加工切削力傳感器、玻璃破碎報警器等應用。壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 可用質(zhì)量、彈簧、阻尼組成的二階系統(tǒng)模擬可用質(zhì)量、彈簧、阻尼組成的二階系統(tǒng)模擬Xian Jiaotong University壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用防水型防水型 高效高效 高靈敏度高靈敏