檢測與傳感第六章

1、檢測與傳感技術(shù)第6章 壓電式傳感器 6.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料6.2 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 工作原理工作原理：壓電式傳感器是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是一種典型的有源傳感器。特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測量范圍廣用途：用途：主要用于與力相關(guān)的動態(tài)參數(shù)測試，如動態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動等?！咀ⅰ侩姼小㈦娙荻疾贿m合高頻測量，而壓電式適合【注】電感、電容都不適合高頻測量，而壓電式適合6.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)

2、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)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓壓電效應(yīng)電效應(yīng)。 1. 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能逆壓電效應(yīng) 電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能 在自然界中大多數(shù)都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。但諸如石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料則是性能優(yōu)良的壓電材料。2. 壓電材料壓電材料晶體與非晶體：晶體與非晶體：1.定義：晶體晶體是由許多質(zhì)點(diǎn)（包括原子、離子或分子）在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列而構(gòu)成的固體。非晶體非晶體則不呈這種周期性的規(guī)則排列。2. 區(qū)別：a. 質(zhì)點(diǎn)是否在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；b. 晶體熔化時有固定熔

3、點(diǎn)，而非晶體沒有熔點(diǎn)；c. 晶體具有各向異性，而非晶體呈各向同性。 壓電材料的主要特性參數(shù)主要特性參數(shù)有： 壓電常數(shù): 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。 彈性常數(shù): 壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率固有頻率和動態(tài)特性動態(tài)特性。 介電常數(shù): 對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率頻率下限下限。 機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。 電阻: 壓電材料的絕緣電阻將減

4、少電荷泄漏減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 居里點(diǎn)溫度: 它是指壓電材料開始喪失壓電特性的喪失壓電特性的溫度溫度。 天然石英晶體外形6.1.1 石英晶體石英晶體 壓電材料可以分為兩大類壓電晶體壓電陶瓷（石英晶體）天然石英晶體外形晶體結(jié)構(gòu) 石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。下圖表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體結(jié)構(gòu)，它是一個正六面體。 沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向縱向壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)”， 沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫橫向壓電效應(yīng)向壓電效應(yīng)” 沿光軸z方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 石英晶體各個方向的特性是不同的。軸軸z光軸光軸軸軸x電軸電軸軸軸y

5、機(jī)械軸機(jī)械軸 若從晶體上沿y方向切下一塊如圖所示的晶片。xxFdq11式中, d11為x方向受力的壓電系數(shù)。 當(dāng)沿電軸方向施加作用力Fx時，在yz平面上將產(chǎn)生電荷， 其大小為 ：式中：a、b晶體切片的長度和厚度； d12y軸方向受力的壓電系數(shù)。 若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy，則在xz平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為 yyFbadq12 電荷電荷qx和和qy的符號由受壓力還是受拉力決定。的符號由受壓力還是受拉力決定。石英晶體的對稱性：石英晶體的對稱性：d12=-d11 ； 石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。石英晶體由硅離子和氧離子構(gòu)成。a. 當(dāng)石英晶體未受外力作用時當(dāng)石英晶體未

6、受外力作用時：正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。因?yàn)镻=ql, q為電荷量，l為正負(fù)電荷之間距離。此時正負(fù)電荷重心重合，即P1+P2+P3=0，晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈中性。 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負(fù)離子的相對位置也隨之變動。如圖所示，此時正負(fù)電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。（x軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷， y軸無電荷） b.當(dāng)受到沿當(dāng)受到沿x軸方向的壓力作用時：軸方向的壓力作用時： 晶體的變形如圖所示。此時P1增大，P2、P3減小。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向?yàn)檎姾?。在y軸方

7、向上仍不出現(xiàn)電荷。（x軸的正方向出現(xiàn)正電荷， y軸無電荷） c.當(dāng)受到沿當(dāng)受到沿y軸方向的壓力作用時：軸方向的壓力作用時： 因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負(fù)電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。晶體無壓電效應(yīng)。 d. 當(dāng)受到沿當(dāng)受到沿z軸方向的壓力時：軸方向的壓力時：石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)施加靜態(tài)力時，當(dāng)施加靜態(tài)力時，在初始瞬間，產(chǎn)生于力成正比的電荷，但由于在初始瞬間，產(chǎn)生于力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏，并消失；當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動輸

8、出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同態(tài)力的頻率相同。 壓電陶瓷是人工制造人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。6.1.2 壓電陶瓷壓電陶瓷 在無外電場作用時在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì), 如圖所示。 具有自發(fā)極化的晶體中存在具有自發(fā)極化的晶體中存在一些自發(fā)極化取向一致的微一些自發(fā)極化取向一致的微小區(qū)域稱為電疇小區(qū)域稱為電疇a. 原理原理 在陶瓷上施加外電場時在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。 外電場愈

9、強(qiáng)， 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強(qiáng)度剩余極化強(qiáng)度很大，這時的材料就具有了壓電特性。 極化處理后極化處理后陶瓷材料內(nèi)部存在有很強(qiáng)的剩余極化，當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，引起剩余極化強(qiáng)度的變化，因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。Fdq33式中： d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F作用力。 電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系： 這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)正壓電

10、效應(yīng)。 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。 極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。b. 特點(diǎn)特點(diǎn)溫度升高，帶電粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動溫度升高，帶電粒子的無規(guī)則熱運(yùn)動加劇，跳出某個勢的概率增加，排列加劇，跳出某個勢的概率增加，排列一致的電疇減少，因此剩余極化減少一致的電疇減少，因此剩余極化減少（2）鋯鈦酸鉛（PZT）系列居里點(diǎn)在300以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。c. 常用的壓電陶瓷常用的壓電陶瓷（1）鈦酸鋇（BaTiO3）使用的最早的壓電陶瓷材料，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不

11、如石英。 （3）鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷，具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度， 而且能承受較高的壓力。 6.1.3 壓電式傳感器壓電式傳感器壓電陶瓷外形壓電陶瓷外形壓電傳感器外形壓電傳感器外形 a. 不能用于靜態(tài)測量，適用于動態(tài)測量。（1）基本原理）基本原理 利用壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。（2）特點(diǎn)）特點(diǎn) 由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。壓電材料在一定頻率的力的不斷作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動態(tài)測量。

12、 單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結(jié)在一起。 b. 實(shí)際中常將多片壓電元件粘貼在一起使用實(shí)際中常將多片壓電元件粘貼在一起使用由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。(a) 相同極性端相連(b) 不同極性端相連 并聯(lián)并聯(lián)Q=nQ U=U Q=nQ U=U C=nCC=nC 串聯(lián)串聯(lián)Q=Q U=nUQ=Q U=nU C=C/n C=C/n 綜合分析上述兩種接法： 并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大， 時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。 串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸

13、出信號的場合。按壓電元件受力和變形方式不同， 分為：（3）形變形式）形變形式 厚度變形 剪切變形 體積變形 長度變形 壓電式傳感器也有非線性度。主要是傳感器受力系統(tǒng)中力傳遞系數(shù)為非線性所致，即低壓力下力的傳遞損失較大。（4）非線性度）非線性度 解決方法：加入預(yù)加力（預(yù)載）加入預(yù)加力（預(yù)載） 壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，既保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系，同時還可以消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。6.2 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個

14、電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)， 則其電容量電容量為 ：dACra06.2.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路式中： A壓電片的面積； d壓電片的厚度； r壓電材料的相對介電常數(shù)。 aaCqU 壓電傳感器也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。 如圖（b）所示。壓電元件的開路電壓開路電壓：（a） 電荷源 壓電傳感器可以等效為一個電荷源，如圖（a）所示。（b） 電壓源 實(shí)際中，壓電傳感器還要與測量儀器或測量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri , 輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra。這樣，壓電傳感

15、器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如下圖所示。 傳感器的泄露電傳感器的泄露電阻阻電纜電電纜電容容輸入電阻電容輸入電阻電容電纜電容電纜電容傳感器的泄露電傳感器的泄露電阻阻輸入電阻電容輸入電阻電容 對于壓電式傳感器，輸出微弱的電荷量微弱的電荷量，而且輸出阻輸出阻抗高達(dá)抗高達(dá)108 以上以上。6.2.2 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 測量電路的設(shè)計(jì)應(yīng)做到以下兩點(diǎn)： 放大傳感器輸出的微弱信號； 把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。 傳感器作為信號源向后接電路輸出代表被測量變化的信號。從輸出端看，信號源代表的兩個參數(shù)，一是信號的強(qiáng)弱，二是信號源的內(nèi)部阻抗(即輸出阻抗)的大小。輸出阻抗的大小決定了

16、傳感器電路的結(jié)構(gòu)形式。因此測量電路通常需要接入一個因此測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器高輸入阻抗前置放大器。1. 電壓放大器電壓放大器下圖是電壓放大器電路原理圖。 由于壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號， 因此前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比； 電荷放大器電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷（傳感器的輸出電荷）成正比電壓放大器電路原理 在圖(b)中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri)，電容C=Cc+Ci。由于ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fmsint的作用，則其電壓為：tUtCdFUmamasinsin式

17、中： Um壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca； d壓電系數(shù)。 由此可得放大器輸入端電壓由此可得放大器輸入端電壓Ui為為 ：.Ui的幅值幅值Uim為：.222)(1)(icamimCCCRRdFU相位相位為： )(arctan2)(RCCCica11Z1RCaaRZjwCjwCjwRCRCiaZUUZ1()aiaaj RCUUj R CC 在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，那么理想情況下輸入電壓幅值Uim則為 icamimCCCdFU上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，一般在/03時，就可以認(rèn)為Uim與無關(guān)，0表示測量電

18、路時間常數(shù)的倒數(shù)，即 RCCCica)(10222)(1)(icamimCCCRRdFU 當(dāng)(Ca+Cc+Ci)R1 時，式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長度改變時，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差。 【注】： 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。6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 下圖是壓電式測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 1. 壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器 傳感器上蓋

19、為傳力元件，當(dāng)外力作用時，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。 下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、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)，并由螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 2. 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)， 即 F=maq=dF=dma 與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)， 則傳感器輸出電荷為：壓電式振動加速度傳

20、感器的結(jié)構(gòu)及外形 橫向振動測振器縱向振動測振器壓電加速度傳感器的安裝及使用 a)雙頭螺絲固定 b)磁鐵吸附 c)膠水粘結(jié) d)手持探針式 1壓電式加速度傳感器 2雙頭螺栓 3磁鋼 4粘接劑 5頂針 下圖是利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力的示意圖。 圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時， 切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化。 3. 壓電式金屬加工切削力測量壓電式金屬加工切削力測量 壓電式玻璃破碎報(bào)警器利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。4. 壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器壓電式玻璃破碎報(bào)警器電路框圖 報(bào)警器使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當(dāng)玻璃打碎的瞬間，壓電薄膜感受覆蓋到劇烈振動，