傳感器與檢測(cè)技術(shù)胡向東第二版第6章

1、第6章壓電式傳感器6.1 工工作原理作原理 6.2 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)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 知識(shí)單元與知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的基本概念；壓電材料的分類及其特性；壓電式傳感器的等效電路、電荷放大器與電壓放大器的測(cè)量電路；壓電元件的連接特性；壓電式傳感器的應(yīng)用。能力點(diǎn)能力點(diǎn)深入理解壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的基本概念；理解壓電式傳感器的等效電路、電荷放大器與電壓放大器的測(cè)量電路；了解壓電材料的分類及其特性；會(huì)分析壓電元件的連接特性；了解壓電式傳感器的應(yīng)用。重難點(diǎn)重難點(diǎn)重點(diǎn)：壓電式傳感器的工作原理、測(cè)量電路。難點(diǎn)：壓

2、電式傳感器的測(cè)量電路。學(xué)習(xí)要求學(xué)習(xí)要求掌握壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的含義；掌握石英晶體具有壓電效應(yīng)特性的分子結(jié)構(gòu)特性、壓電陶瓷的壓電特性機(jī)理；了解壓電材料的主要特性參數(shù)及其含義、壓電材料的選取；掌握壓電式傳感器的等效電路與測(cè)量電路；掌握壓電元件并聯(lián)或串聯(lián)特性；了解壓電式傳感器的典型應(yīng)用。順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)物質(zhì)，沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)某些電介質(zhì)物質(zhì)，沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，在其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在這種材料的生變形，在其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它兩個(gè)表面會(huì)產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新

3、恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為“壓電壓電效應(yīng)效應(yīng)”。當(dāng)作用力方向改變時(shí)當(dāng)作用力方向改變時(shí), , 電荷極性也隨之改變。電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象也稱為這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象也稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)”或或“順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)”。 ( 加力加力變形變形產(chǎn)生電荷產(chǎn)生電荷)u 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，方向上就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)

4、化為機(jī)械能的現(xiàn)這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”或或“電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)”。特點(diǎn)：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測(cè)量范圍廣等。工作可靠；測(cè)量范圍廣等。用途：用途：主要用于與力相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，如動(dòng)態(tài)主要用于與力相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，如動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等，它可以把力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等，它可以把加速度、加速度、壓力、位移、溫度壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。壓電傳感器壓電傳感器天然形成的石英晶體外形天然

5、形成的石英晶體外形由晶體學(xué)可知，無對(duì)稱中心的晶體，通常具有壓由晶體學(xué)可知，無對(duì)稱中心的晶體，通常具有壓電效應(yīng)。電效應(yīng)。石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝壓電陶瓷是壓電陶瓷是人工制造人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶的多晶壓電材料，它比石英晶體的體的壓電靈敏度高得多壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷瓷 。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（瓷（PZT）及）及非鉛系壓電陶瓷非鉛系壓電陶瓷 （如（如BaTiO3等）。等）。壓電系數(shù)

6、高，靈敏度較石英材料高，但工作溫度低，壓電系數(shù)高，靈敏度較石英材料高，但工作溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。10 陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵

7、消了陶等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。的作用。11 如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象?，F(xiàn)充電現(xiàn)象

8、。 正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 12 當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。dSdSCra0aaCqU 壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高（10101010歐以上），輸出能量小，常在測(cè)量歐以上），輸出能量小，常在測(cè)量電路中加一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，電路中加一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，作用作用：（1 1）把高輸入阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗）把高輸入阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出

9、阻抗（小于（小于100100歐）；歐）；（2 2）對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。）對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。15 K是放大器的開環(huán)增益，（是放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近端的電位接近“地地”電位。電位。 q：傳感器的電荷：傳感器的電荷 Ce：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容RF：反饋電阻：反饋電阻CF：反饋電容：反饋電容16FdoCq UU .18AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)Ua：傳感器的電壓：傳感器的電壓 Re：傳感器的

10、漏電阻：傳感器的漏電阻 Ce：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容：放大器的輸入電容19u壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。u電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡(jiǎn)單，元件少，價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。上一頁下一頁返 回20u將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。上一頁下一頁返 回壓電式加速度傳感器 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)的壓電元

11、件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大連接的石英晶片，放大器是一個(gè)超小型靜電放器是一個(gè)超小型靜電放大器。這樣引線非常短，大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于零就引線電容幾乎等于零就避免了長(zhǎng)電纜對(duì)傳感器避免了長(zhǎng)電纜對(duì)傳感器靈敏度的影響。放大器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的輸入端可以得到較大的電壓信號(hào)，這樣彌補(bǔ)的電壓信號(hào)，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的了石英晶體靈敏度低的缺陷。缺陷。 壓電元件的連接壓電元件的連接圖b）從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、 下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。 圖a）從電路上看，這是并聯(lián)接法， 類似兩個(gè)電容

12、的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。從作用力看，從作用力看，元件是串接的，元件是串接的，因而每片受到因而每片受到的作用力相同，的作用力相同，產(chǎn)生的變形和產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相都與單片時(shí)相同。同。6.3.1 壓電式力傳感器壓電式力傳感器 壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)換為電荷的傳感器。換為電荷的傳感器。 變形方式變形方式：利用縱向壓：利用縱向壓電效應(yīng)的方式最簡(jiǎn)便。電效應(yīng)的方式最簡(jiǎn)便。 材料選擇材料選擇：決定于所測(cè)：決定于所測(cè)力的量值大小，對(duì)測(cè)量誤差力的量值大小，對(duì)測(cè)量誤差提出的要求、工作環(huán)境溫度提出的

13、要求、工作環(huán)境溫度等各種因素。等各種因素。 晶片數(shù)目晶片數(shù)目：通常是使用機(jī)械串聯(lián)：通常是使用機(jī)械串聯(lián)而電氣并聯(lián)的兩片。晶片電氣并而電氣并聯(lián)的兩片。晶片電氣并聯(lián)兩片，可以使傳感器的電荷輸聯(lián)兩片，可以使傳感器的電荷輸出靈敏度增大一倍。出靈敏度增大一倍。1111Qd fd ma 25 將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。26 將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測(cè)量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。 27將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集玻璃破碎時(shí)會(huì)發(fā)出的振動(dòng)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。中報(bào)警系統(tǒng)。 粘貼粘貼