第8章壓電式傳感器及應(yīng)用

1、2022-6-231第第8 8章壓電式傳感器及應(yīng)用章壓電式傳感器及應(yīng)用 2022-6-232引言引言n壓電式傳感器的工作原理是基于某些介壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時，其表面器。當(dāng)材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)機械沖擊與振動的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都

2、得到了非常廣學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。2022-6-233主要章節(jié)主要章節(jié)n8.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 n8.2壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 n8.3壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 2022-6-2348.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料n1壓電效應(yīng)的概念壓電效應(yīng)的概念 n某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾承╇娊橘|(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的變形時，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)

3、到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加稱壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。（電致伸縮效應(yīng)）。 8.1.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)2022-6-235壓電效應(yīng)可逆性壓電效應(yīng)可逆性 2022-6-2362.壓電效應(yīng)原理壓電效應(yīng)原理 n具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等陶瓷、高分子壓電材料等 n石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二石英晶體是一種

4、應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有角棱柱體。石英晶體有3個晶軸：個晶軸：x軸、軸、y軸和軸和z軸。軸。nz軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：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棱線并軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸：垂直于光軸：y軸又稱為機械軸，它垂直于兩軸又稱為機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。個相對的晶柱棱面。2022-6-237 石英晶體及切片石英晶體及切片 2022-6-238n石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，石英晶體的壓電效應(yīng)與

5、其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機理可說明。產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機理可說明。n石英晶體的化學(xué)式為石英晶體的化學(xué)式為SiO2，它的每個晶，它的每個晶胞中有胞中有3個硅離子和個硅離子和6個氧離子，一個硅個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是成隊出現(xiàn)的）。成隊出現(xiàn)的）。n沿光軸看去，可以等效地認(rèn)為正六邊形沿光軸看去，可以等效地認(rèn)為正六邊形排列結(jié)構(gòu)。排列結(jié)構(gòu)。2022-6-239 石英晶體的壓電效應(yīng)機理石英晶體的壓電效應(yīng)機理 1正電荷等效中心 2負(fù)電荷等效中心2022-6-2310分析說明分析說明n（1）在無外力作用時）在無外力作用時 n（2）當(dāng)晶體沿電軸（）當(dāng)晶

6、體沿電軸（x軸）方向受到壓軸）方向受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形力時，晶格產(chǎn)生變形 n（3）同樣，當(dāng)晶體的機械軸（）同樣，當(dāng)晶體的機械軸（y軸）方軸）方向受到壓力時，也會產(chǎn)生晶格變形向受到壓力時，也會產(chǎn)生晶格變形 n（4）當(dāng)晶體的光軸（）當(dāng)晶體的光軸（z軸）方向受到受軸）方向受到受力時，由于晶格的變形不會引起正負(fù)電力時，由于晶格的變形不會引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。荷中心的分離，所以不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。2022-6-2311結(jié)論結(jié)論n沿機械軸方向的力作用在晶體上時，產(chǎn)沿機械軸方向的力作用在晶體上時，產(chǎn)生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，式中的負(fù)號說明沿

7、機械軸的壓力引起的式中的負(fù)號說明沿機械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。性恰好相反。 2022-6-23128.1.2 壓電材料壓電材料 n（1）壓電常數(shù)）壓電常數(shù)n（2）彈性常數(shù)）彈性常數(shù)n（3）介電常數(shù)）介電常數(shù)n（4）機械耦合系數(shù)）機械耦合系數(shù)n（5）絕緣電阻）絕緣電阻n（6）居里點）居里點1壓電材料的主要特性參數(shù)壓電材料的主要特性參數(shù)2022-6-23132.常用壓電材料常用壓電材料 n石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。性能優(yōu)良的壓電材料。n應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材

8、料應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有一般有3類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。壓電陶瓷、高分子壓電材料。2022-6-2314石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形2022-6-2315天然形成的石英晶體外形（續(xù)） 2022-6-2316石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝2022-6-2317石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振晶振2022-6-2318壓電陶瓷外形 2022-6-2319高分子壓電薄膜及拉制 2022-6-2

9、320高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜 2022-6-2321可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板 2022-6-2322壓電式腳踏報警器 2022-6-23238.2壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路n將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個晶面封裝上將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。當(dāng)壓金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。當(dāng)壓電元件受力時，就會在兩個電極上產(chǎn)生電元件受力時，就會在兩個電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個電荷電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個電荷源；兩個電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，源；兩個電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當(dāng)于一個以壓電材料為介質(zhì)因此它又相當(dāng)

10、于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為的電容器，其電容值為nCa = R0A/ 8.2.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 2022-6-2324壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路 n壓電元件等效為一個與電容相并聯(lián)的電壓電元件等效為一個與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個與電容相串聯(lián)荷源，也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源，的電壓源，2022-6-2325壓電元件實際的等效電路圖壓電元件實際的等效電路圖 n壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測量回

11、路以源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量。一定的電流，故只適用于動態(tài)測量。 2022-6-23268.2.2 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 n壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合，與一般的入阻抗的前置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。n壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈蛡€：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?/p>

12、；二是把傳感器的微弱信號進阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號進行放大。行放大。2022-6-2327輸出信號輸出信號n根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此與之配套的前置放大是電壓信號，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。式。n由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。2022-6-23281.電荷放大器電荷放大器 n并聯(lián)輸出型壓電元

13、件可以等效為電荷源。并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實際上是一個具有反饋電容電荷放大器實際上是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路的高增益運算放大器電路 電荷放大器原理圖 2022-6-2329結(jié)論結(jié)論n電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計。影響可以忽略不計。 2022-6-23302.電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器） n串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，但由于壓電效應(yīng)引起的電容量很小，因但由于壓電效應(yīng)引起

14、的電容量很小，因而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓輸出型測量電路時，要求前置放大器不輸出型測量電路時，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗的輸入阻抗 2022-6-23318.3壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用n在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電晶片粘結(jié)在一起。其中最常用的是用多片壓電晶片粘結(jié)在一起。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)。由于壓電元件上的電荷是有極性的，兩片結(jié)構(gòu)。由于壓電元件上的電荷是有極性的，因此接法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種因此接法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種

15、 n串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓為輸出量及測量電路輸入阻抗很高的場合；電壓為輸出量及測量電路輸入阻抗很高的場合；并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。作為輸出的場合。 8.3.1 壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)2022-6-2332壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)接法壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)接法 2022-6-2333n壓電晶片并聯(lián)可以增大輸出電荷，提高壓電晶片并聯(lián)可以增大輸出電荷，提高靈敏度。具體使用時，兩

16、片晶片上必須靈敏度。具體使用時，兩片晶片上必須有一定的預(yù)緊力，以保證壓電元件在工有一定的預(yù)緊力，以保證壓電元件在工作時始終受到壓力，同時可以消除兩壓作時始終受到壓力，同時可以消除兩壓電晶片之間因接觸不良而引起的非線性電晶片之間因接觸不良而引起的非線性誤差，保證輸出與輸入作用力之間的線誤差，保證輸出與輸入作用力之間的線性關(guān)系。但是這個預(yù)緊力不能太大，否性關(guān)系。但是這個預(yù)緊力不能太大，否則將影響其靈敏度。則將影響其靈敏度。 2022-6-2334壓電片的并聯(lián)連接電路圖壓電片的并聯(lián)連接電路圖 2022-6-23358.3.2 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 n壓電式傳感器主要用于動態(tài)作用力、壓壓電

17、式傳感器主要用于動態(tài)作用力、壓力、加速度的測量。力、加速度的測量。2022-6-23361.壓電式力傳感器壓電式力傳感器 n壓電式力傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元壓電式力傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元件，輸出電荷與作用力成正比的力件，輸出電荷與作用力成正比的力電電轉(zhuǎn)換裝置。常用的形式為荷重墊圈式，轉(zhuǎn)換裝置。常用的形式為荷重墊圈式，它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及引出插座等組成引出插座等組成 2022-6-2337YDS-78型壓電式單向動態(tài)力傳感型壓電式單向動態(tài)力傳感器器 n變化頻率不太高的動態(tài)力的測量。測力變化頻率不太高的動態(tài)力的測量。測力范圍達幾十范圍達幾十kN

18、以上，非線性誤差小于以上，非線性誤差小于1%，固有頻率可達數(shù)十千赫。，固有頻率可達數(shù)十千赫。 2022-6-23382.壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 n由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并用螺栓加以固定并用螺栓加以固定 2022-6-2339壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 慣性力是加速度的函數(shù)，慣性力慣性力是加速度的函數(shù)，慣性力F作用于壓電元件上，因而作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷Q，當(dāng)傳感器選定后，傳感器輸出電荷與加速度，當(dāng)傳感器選定后，傳感器輸出電荷與加速度a成正比成正比 2022-6-2340高分子壓電材料的應(yīng)用3. 玻璃打碎報警裝置玻璃打碎報警裝置 將高分子壓電測將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。中報警系統(tǒng)。 粘貼粘貼位置位置2022-6-2341 4壓電式周界報警系統(tǒng)（用于重要位置出入口、周界安全防護等） 將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地