第7章 壓電式傳感器

第7章壓電式傳感器（2學時）本章主要內容壓電式傳感器的基本原理壓電式傳感器的測量轉換電路壓電式傳感器的應用教學要求及重點、難點一.教學要求了解壓電式傳感器基本原理，熟悉壓電式傳感器的測量轉換電路了解壓電式傳感器的應用重點、難點壓電式傳感器的測量轉換電路概述壓電式傳感器是利用某些電介質材料（如石英晶體）具有壓電效應現(xiàn)象制成的。有些電介質材料在一定方向上受到外力（壓力或拉力）作用而變形時，在其表面上產生電荷從而可以實現(xiàn)對非電量的檢測。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬等特點，適用于對各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，廣泛應用在力學、聲學、醫(yī)學、宇航等方面。壓電式傳感器是一種無源傳感器，大多數(shù)是利用正向壓電效應制成的。外力去掉后，又回到不帶電狀態(tài)，這種將機械能轉換成電能的現(xiàn)象，稱為正向壓電效應，簡稱壓電效應。當然這種電介質材料也具有逆壓電效應，即在相應表面上施加電壓后，電介質材料會發(fā)生機械變形；去掉電壓后，變形立即消失，它將電能轉換成機械能。逆壓電效應也稱電致伸縮效應。壓電式傳感器的基本原理一.壓電效應與壓電材料壓電效應某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用產生變形時，內部會產生極化現(xiàn)象，同時在其表面產生電荷。當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。壓電效應分為正向壓電效應和逆向壓電效應。某些電介質，當沿著一定方向對其施加外力而使它變形時，內部就產生極化現(xiàn)象，相應地會在它的兩個表面上產生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新

恢復到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應。當外力方向改變時，電荷的極性也隨之改變，這種將機械能轉換為電能的現(xiàn)象，稱為正壓電效應。相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產生一定的機械變形或機械應力，這種現(xiàn)象稱為逆向壓電效應，也稱為電致伸縮效應。圖6.1所示壓電元件受力變形后的幾種基本形式。圖11壓電轉換元件受力變瑤的幾種基生形式厚度曼蛍Sh 辰庚受圧樂fM體積受壓型w<d）厚嵐切變型；Z平面切變型壓電材料：具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機-電能量的相互轉換，具有一定的可逆性，如圖4.71所示。壓電材料可以分為三類：壓電（石英）晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料。機械加<=>圧電元件 電出圖4?了1壓電效應的可蹩忡壓電材料常用晶體材料，但自然界中多數(shù)晶體壓電效應非常微弱，很難滿足實際檢測的需要，因而沒有實用價值。目前能夠廣泛使用的壓電材料只有石英晶體和人工制造的壓電陶瓷、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料，這些材料都具有良好的壓電效應。壓電材料的主要特性指標壓電材料是壓電式傳感器的敏感材料，主要特性參數(shù)有：（1）壓電系數(shù)dmn；（2）機械性能（剛度H）；（3）電性能（介電常數(shù)8和電阻率）；（4）；（5）居里點。壓電系數(shù)dmn：它是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，一般應具有較大的壓電系數(shù)。m表示產生電荷面的軸向，n表示施加作用力的軸向。機械性能（剛度H）：作為受力元件，通常希望其具有較高的機械強度和較大的剛度，以獲得較寬的線性范圍和較大的固有頻率。電性能：良好的壓電材料應該具有大的介電常數(shù)和較高的電阻率，以減小電荷的泄漏，從而獲得良好的低頻特性。對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。機械耦合系數(shù)：是指在壓電效應中，轉換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機-電能量轉換效率的一個重要參數(shù)。居里點溫度：最大安全溫度，它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。時間穩(wěn)定性：壓電特性不應隨時間蛻變。二．工作原理壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的正向壓電效應制成。石英晶體是最常用晶體之一，現(xiàn)以石英晶體為例。1.石英晶體壓電效應石英晶體是典型的壓電晶體，化學式為SiO2，為單晶體結構。圖4.72(a)所示的是天然結構的石英晶體外形示意圖。它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的(各向異性體)，可以用三個相互垂直的軸來表示，其中縱向軸z稱為光軸(或稱為中性軸)，經過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為縱向壓電效應，而把沿機械軸y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為橫向壓電效應。而沿光軸z方向的力作用時不產生壓電效應。若從晶體上沿y方向切下一塊如圖4.72(c)所示的晶片，當沿電軸X方向施加作用力F時，則在與電軸x垂直的平面上將產生X電荷，其大小為: qx=d11Fx式中d]]——x方向受力的壓電系數(shù)。若在同一切片上，當沿機械軸y方向施加作用力Fy,則仍在與x軸垂直的平面上產生電荷q,其大小為： qdaFy y12by由此可見，沿機械軸y方向施加作用力時，產生的電荷量與晶片的幾何尺寸有關。式中d]2—y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據石英晶體的對稱性，有d]2=-d]]；a、b—晶體切片的長度和厚度，如圖4.72(c)所示。電荷qx和qy的符號由受壓力還是受拉力決定，如圖6.3所示。優(yōu)晶體外形 (b)切割方向 (<=｝優(yōu)晶體外形 (b)切割方向 (<=｝晶片圖4."石莫晶沐U). ⑹. 圄圖<5-3晶片生電荷極性與受力方向關系示爺圈2壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇(電偶極矩)，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中是雜亂分布的，各電疇的極化效應相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質，如圖4.74(a)所示。加直流電場后，使極性轉到接近電場的方向，當電場去掉后，電疇的極化方向基本保持不變。如圖4.74(b)。

0) 時的衙曲0)電柚化后的情貳電場方向0) 時的衙曲0)電柚化后的情貳電場方向圖474壓電陶瓷的極化通常將壓電陶瓷的極化方向定義為z軸，在垂直于z軸的平面上的任何直線都可以取作X軸或y軸，對于x軸或y軸，其壓電效應是等效的,這是壓電陶瓷與石英晶體不同的地方。這種因受力而產生的由機械效應轉變?yōu)殡娦?，將機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正向壓電效應。電荷面垂直于Z軸,電荷量的大小與外力成如下的正比關系：q=d33F式中d33—壓電陶瓷的壓電系數(shù)，F(xiàn)—作用力最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇(BaTiO3)。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按1：1摩爾分子比例混合后燒結而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點溫度只有115°C，使用溫度不超過70°C，溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛(PZT)系列，它是鈦酸鉛(PbTiO2)和鋯酸鉛(PbZrO3)組成的(Pb(ZrTi)O3)。居里點溫度在300C以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。優(yōu)點：壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。缺點：極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。3.壓電元件的連接方式為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應用中常采用將兩片(或兩片以上)同型號的壓電元件粘結在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。如圖4.76所示，從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時相同。圖4.76(a)是兩個壓電片的負端粘結在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負極，正電極在兩邊的電極上。從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。圖4.76(b)是兩壓電片不同極性端粘結在一起，從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的1/2，輸出電壓增大了1倍。所以在上述兩種接法中：并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量緩慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。q,=2q,U,=U,C'=2C串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號，并且測量電路輸入阻抗很高的場合。q,=q,U,=2U,C，=C/2

<a)相同桂性端詁皓 (b｝車同根性城粘結圖4.76伍遇元件連接共丈圖(a)是并聯(lián)，圖(b)是串聯(lián)壓電式傳感器的測量轉換電路一．壓電元件的等效電路主要有電壓等效電路和電荷等效電路兩種形式，形式不同，作用等效。在外力作用下，壓電晶片的兩個表面產生大小相等、方向相反的電荷，相當于一個以壓電材料為介質的電容器。因此，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器，同時它也是一個電容器，晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容器的兩個極板，極板間物質等效于一種介質，則其電容量為：式中A—壓電片的面積;d—壓電片的厚度；￡—壓電材料的相對介電常數(shù)；r￡Q一真空的介電常數(shù)，￡0=8.85xlO-i2F/m。因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容Ca相串聯(lián)的電壓源。如圖4.77(a)所示，電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者之間的關系為：U2aCa㈤電壓源楷型 a㈤電壓源楷型 ①電荷姬枕型[14.77壓電元件的需效電踣壓電傳感器也可以等效為一個電荷源，如圖4.77(b)所示。當壓電傳感器接入測量儀器或測量電路后，必須需考慮后續(xù)測量電路的輸入電容Ci，連接電纜的寄生等效電容cc,以及后續(xù)電路(如放大器)的輸入電阻R.和壓電傳感器自身的泄漏電阻R。所以，實際壓電傳感ia器在測量系統(tǒng)中的等效電路如圖4.78所示?！?——1— O9札]cf O二．壓電式傳感器測量轉換電路由于電壓放大器中的輸出電壓與電纜電容有關,故目前采用電荷放大器。由于壓電傳感器輸出信號很小,本身的內阻抗很大,輸出阻抗很高,因此給它的后續(xù)測量電路提出了很高的要求。為了解決這一矛盾,通常需要將傳感器的輸出接入一個高輸入阻抗的前置放大器。經過阻抗變換后再送入普通的放大器進行放大、檢波等處理。前置放大器的作用是：一方面把傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗，另一方面是放大傳感器輸出的微弱信號。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：電壓放大器和電荷放大器。從上面實際壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的等效電路可以看出，如果使用電壓放大器，其輸出電壓與電容C=C+C.+C密切相關，雖然C和C.都很小，但Caicaic會隨連接電纜的長度與形狀而變化，從而會給測量帶來不穩(wěn)定因素，影響傳感器的靈敏度。因此，現(xiàn)在通常采用性能穩(wěn)定的電荷放大器。圖4.79所示的是壓電傳感器與電荷放大器組成的檢測電路的等效電路。電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，它由一個帶有反饋電容Cf的高增益運算放大器構成。由于傳感器的漏電阻Ra和電荷放大器的輸入電阻R很大，可以看作開路，而運算放大器輸入阻抗極高，在.其輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和R.并聯(lián)電阻，等效電路如圖.4.79所示。由圖可得八h(G+Q-邙一由運算放大器基本特性：U~KUit可求出電荷放大器的輸出電壓為5飛+―1+g通常KP04"吧因此.當滿足(1+K)G?G+G：+G時，上式可簡化為可見，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓U僅取決于輸入電荷與0反饋電容Cf,與電纜電容Cc無關，且與電荷q成正比，這是電荷放大器的最大特點。為了得到必要的測量精度，要求反饋電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性都很好。在實際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇的，范圍一般為102pF?104pF。如果將Cf選擇為一個高精度和高穩(wěn)定性的電容，則輸出電壓將僅僅取決于電荷量q的大小。壓電式傳感器的結構和應用一．壓電元件常用的結構形式由于壓電片上的電荷是有限的，因此有串聯(lián)和并聯(lián)兩種接法。二．壓電式傳感器的應用1.壓電式測力傳感器圖4.80所示的是壓電式單向測力傳感器的結構圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1mm?0.5mm，當外力作用時，它將產生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應，通過dll實現(xiàn)力一電轉換。石英晶片的尺寸為①8x1mm。該傳感器的

測力范圍為0N?50N,最小分辨率為0.01N,固有頻率為50kHz?60kHz,整個傳感器重為10g。電極座七英晶片l：Hffi4.80電極座七英晶片l：Hffi4.80斥力丈單向旖力件感龍結構圖2.壓電式加速度傳感器圖4.81所示的是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。它主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、機座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內,并由螺栓加以固定。當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時,壓電元件受質量塊慣性力的作用,根據牛頓第二定律,此慣性力是加速度a的函數(shù)，即F=ma圖401壓電式打注度傳感雄結拘圖圖401壓電式打注度傳感雄結拘圖片-夕卜殼崗H:塊機座圧電元仲式中F——質量塊產生的慣性力;m 質量塊的質量；a 力口速度。此時慣性力F作用