傳感器及其應(yīng)用壓電式傳感器

1、第7章 壓電式傳感器及其應(yīng)用 壓電式傳感器具有良好的靜態(tài)剛度和動態(tài)性能；固有頻率高，工作頻帶寬；體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。 可以作為壓電發(fā)生器：煤氣爐，打火機，汽車自動點火裝置。壓電效應(yīng)傳感器：壓力傳感器、加速度傳感器、振動傳感器。逆壓電效應(yīng)傳感器：超聲波發(fā)生器、壓電揚聲器。9/27/20221第1節(jié) 壓電效應(yīng)及壓電材料 壓電式傳感器是一種可逆型換能器，既可以將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽帜軐㈦娔苻D(zhuǎn)變成機械能。其工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。是一種物性型傳感器。 某些晶體在外力作用下，不僅產(chǎn)生形變，而且內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，在其表面產(chǎn)生電荷，形成電場；去掉外力后又重新回到不帶電的平衡狀態(tài)，這

2、種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 一、壓電效應(yīng)9/27/20222 與壓電效應(yīng)相反，如果將具有壓電效應(yīng)的晶體置于電場中，其幾何尺寸也發(fā)生變化，這種由于外電場作用導致物體機械變形現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。 二、壓電材料 具有壓電效應(yīng)的敏感功能材料稱為壓電材料。壓電材料應(yīng)具有大的壓電系數(shù)；機械強度高、剛度大；高電阻率和介電系數(shù)；穩(wěn)定性好。 9/27/20223光軸：z軸，與晶體縱軸方向一致。光線沿z軸方向通過晶體不發(fā)生雙折射。沿光軸的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)，故又稱為中性軸。電軸：x軸，通過兩個相對的六角棱線并垂直于光軸的軸線。垂直于此軸的晶面上有最強的壓電效應(yīng)。1.石英晶體：中間為六角形棱柱，兩端為對稱的棱錐，共30

3、個晶面。 9/27/20224機械軸：y軸，垂直于x軸和z軸所在平面的軸線。在電場作用下，y軸具有最明顯的機械變形。石英晶體z軸僅一個，x軸和y軸各有3個?？v向壓電效應(yīng)：沿x軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電荷出現(xiàn)在與x軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為： Qx=dxFx 式中 dx縱向壓電常數(shù)； Fx作用力。 9/27/202259/27/20226橫向壓電效應(yīng)：沿y軸施加作用力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。電荷仍出現(xiàn)在與x軸相垂直的表面上。產(chǎn)生的電荷量為式中dy橫向壓電常數(shù)；Fy作用力； sx、sy 分別為與x軸、y軸相垂直的表面面積；a x軸向厚度；b y軸向長度。 由于力所施加的表面與

4、感生電荷的表面不同，電荷量與晶體尺寸有關(guān)。9/27/20227根據(jù)石英晶體軸對稱的條件，dy=dx，從而：即橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷與縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷極性相反。切向壓電效應(yīng)：沿x軸或y軸施加剪切力，晶體表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。沿x軸的剪切力產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在與y軸垂直的表面上（電荷量與剪切力成正比，與晶片尺寸無關(guān)）；沿y軸的剪切力產(chǎn)生的電荷出現(xiàn)在與x軸垂直的表面上。 9/27/20228 天然或人工合成石英晶體（SiO2），具有良好的機械強度和壓電效應(yīng)。壓電系數(shù)較?。╠x =2.310-12C/N），但壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好。在20200C內(nèi)，溫度每升高1C，壓電系數(shù)僅減小0.016%，升高到2

5、00C 時，僅減小5%，達到573C 時，失去壓電特性，此溫度稱為石英的居里點。介電常數(shù)為4.5。 9/27/20229 其它壓電晶體有鈮酸鋰（LiNbO3），居里點1210C，具有良好的壓電性，適用于高溫環(huán)境，但比石英脆，抗沖擊性差。 鉭酸鋰（LiTaO3），居里點666C，壓電常數(shù)為石英的3倍。 酒石酸鉀鈉（NaKC4H4O64H2O），壓電系數(shù)較大（dx=310-9 C/N ），但機械強度、電阻率、居里點均較低，易受潮，性能不穩(wěn)定。 9/27/2022102.多晶壓電陶瓷 （壓電陶瓷） 由多種材料經(jīng)燒結(jié)合成，制作方便，成本低。原始壓電陶瓷須經(jīng)強電場極化處理后才具有壓電性。壓電陶瓷的壓電常

6、數(shù)一般比石英高數(shù)百倍?，F(xiàn)代壓電元件，大多采用壓電陶瓷。 鈦酸鋇（BaTiO3） 由碳酸鋇BaCO3和二氧化鈦TiO2 按1 ：1摩爾比混合燒結(jié)而成。壓電常數(shù)約為石英的50倍，介電常數(shù)高(1200)，居里點約120C。 9/27/202211鋯鈦酸鉛（PZT）系列壓電陶瓷 居里點300C左右，壓電常數(shù)7080010-12C/N，性能和穩(wěn)定性均超過鈦酸鋇。其中有些產(chǎn)品可耐高溫、高壓。 3.高分子有機壓電材料 聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣列器件。用于微壓和機器人觸覺。 4.壓電半導體 具有壓電

7、和半導體兩種特性，易于集成。如硫化鋅 9/27/202212(ZnS)，氧化鋅(ZnO)，硫化鈣(CaS)，砷化鎵(GaAs) 9/27/2022139/27/202214第2節(jié) 壓電式傳感器的測量電路 金屬膜FFd a) 壓電晶片b) 等效電荷源c) 等效電壓源Ca Ra QCa Ra ua 壓電器件相當于具有一定電容的電荷源，其電荷和電容為：電容兩極板間開路電壓為：等效電路中電流一、壓電元件的等效電路9/27/202215若考慮接線電纜和測量電路，等效電路如下：a) 電荷源等效電路b) 電壓源等效電路其中，Ra、Ca壓電元件的電阻和電容； Rc 、Cc為電纜電阻和寄生電容；Ri、Ci為后續(xù)

8、測量電路的輸入電阻和輸入電容。9/27/202216二、壓電元件放大電路 壓電元件內(nèi)阻高，電荷信號微弱。因此要前置放大器。前置放大器要具備如下兩個特點：（1）將壓電元件的高輸出阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗，使之能用一般方法進行信號處理；（2）同時對弱信號進行放大，使之具有負載驅(qū)動能力 。 前置放大器的種類有電壓放大器和電荷放大器。9/27/2022171.電壓放大器 在壓電元件等效電路中，Ca與Cc、Ci相比很小，可以忽略。而Rc和Ra、Ri相比很大，在并聯(lián)電路中可以忽略，等效電阻和電容分別為：總阻抗為當壓電元件受到交變力F=Fmsint9/27/202218輸入端電壓幅值：電路中的電流為輸入端電壓相

9、位：輸入端電壓電壓放大器輸出電壓幅值式中A電壓放大器的電壓放大倍數(shù)。9/27/202219，則：當作用力頻率與電路時間常數(shù)RC足夠大時，即Uim、ku、Uom與Cc有關(guān)，當改變電纜長度或布線 方法時，Uim、ku 、Uom都會改變，從而導致測量誤差。所以，電壓放大器在壓電傳感器中應(yīng)用較少。 顯然：壓電元件的電壓靈敏度9/27/202220若壓電器件上作用靜態(tài)力（ = 0），Uim和ku均等于0。即壓電傳感器不能測量靜態(tài)力。 若被測量是準靜態(tài)量，必須增大測量回路時間常數(shù)，以維持(RC)2 1，減少對Uim和ku的影響。顯然增加電容C會降低靈敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低頻響應(yīng)

10、越好。下限頻率：（一般RaRi）9/27/202221 對動態(tài)測量，較大，易滿足(RC)2 1，此時Uim和ku 近似與 無關(guān)，即壓電傳感器具有良好的高頻響應(yīng)特性。 2.電荷放大器 電荷放大器是一個高增益帶電容負反饋的運算放大器，其輸入阻抗極高（1012以上）。 電荷放大電路9/27/202222電荷放大電路其中C = Ca + Cc + Ci + (1+A)Cf 。 放大器的輸出電壓幅值為： 把反饋電容Cf等效到放大器輸入端后，其放大器等效電如上圖，同樣可求得輸入端電壓幅值：9/27/202223若A足夠大（一般100dB以上），則： (1+A)Cf Ca + Cc + Ci 式中負號表示放

11、大器的輸出信號與輸入信號反相。上式表明，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Ca、Cc和Ci無關(guān)。電纜分布電容變化不會影響傳感器靈敏度，這是電荷放大器的突出優(yōu)點。 9/27/202224 由于采用電容負反饋，電荷放大器對直流工作點相當于開環(huán)，因此零點漂移較大。為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個大的反饋電阻Rf（約1081012 ），以穩(wěn)定放大器的直流工作點。 電荷放大器電路復雜，價格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時宜綜合考慮。9/27/202225能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器； 體積小，

12、重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率， 得到較寬的工作頻率范圍； 靈敏度高，穩(wěn)定性好。有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象；低頻特性較差，主要用于動態(tài)測量；存在橫向效應(yīng)，影響測量結(jié)果；應(yīng)用中要求采取嚴格的絕緣措施，并采用低電容、 低噪聲電纜； 工作原理可逆。3.壓電式傳感器的特點9/27/202226三、測量電路9/27/202227第3節(jié) 壓電式傳感器應(yīng)用一、壓電元件組合 為了增大壓電元器件輸出，常采用兩個（較多見）或兩個以上的壓電元件串聯(lián)或并聯(lián) 。 n個晶體串接時，輸出電荷量與單片晶體電荷相同，總電容為單片晶體電容的1/n，輸出電壓為單片晶體電壓的n倍。串接時，輸出電壓大、電容小、時間常數(shù)小

13、，適宜測量迅變信號和以電壓輸出的場合。+ + + + + + + + +- - - - - - - - -FF9/27/202228+ + + + + + + + +- - - - - - - - -FF n個晶體并接時，輸出電荷量為單片晶體電荷n 倍，總電容為單片晶體電容n倍， 輸出電壓等于單片晶體電壓。 并接時，輸出電荷量大、電容大、時間常數(shù)大，適宜測量緩變信號和以電荷輸出的場合。二、壓電傳感器應(yīng)用1.壓電式力傳感器9/27/2022292.壓電式壓力傳感器9/27/2022303.壓電式加速度傳感器9/27/202231著名的壓電傳感器制造商：瑞士Kistler公司， 美國PCB Piezotronics公司Kistler9/27/2022329/27/2022339/27/202234PCB Piezotronics9/27/2022359/27/202236 壓電式加速度傳感器比MEMS加速度傳感器有更寬的頻