項目四壓電式傳感器2課件

壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（或發(fā)電型傳感器）。它是以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。同時，它又是一種可逆型換能器，常用作超聲波發(fā)射與接收裝置。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。近年來，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應用。

壓電式傳感器

一、壓電效應正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機械能正壓電效應逆壓電效應二、壓電材料種類：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導體，如硫化鋅、碲化鎘等。對壓電材料特性要求：

①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。

②機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。

③電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。

④環(huán)境適應性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。

⑤時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。

（一）石英晶體

石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。由圖可見，在20℃～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當?shù)?76℃時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。

1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：－0.016％/℃t℃石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/℃相對介電常數(shù)ε居里點石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性石英晶體的壓電效應天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZYX通常把沿電軸X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應。石英晶體的壓電機理分析石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學式為SiO2。定義：x：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應最強。稱為電軸。y：垂直于平行柱面，在電場作用下變形最大，稱為機械軸。z：無壓電效應，中心軸，也稱光軸。在X軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。

FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d）++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXXx軸方向受力：壓力x軸方向受力：拉力y軸方向受力：壓力y軸方向受力：拉力由上述可知：①無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度）之間呈線性關(guān)系；②晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。

但是，當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，卻無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內(nèi)的極化強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的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應。

＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋

同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應。逆壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場方向Ｅ壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象人造多晶體：經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體電疇未極化前：不具壓電性撤銷外電場加外電場E對外不呈極性加力F：放電現(xiàn)象取消F：充電現(xiàn)象機械能電能正壓電效應：（二）

壓電陶瓷

1、

鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。2、

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300℃以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。

三、壓電式傳感器的測量電路（一）等效電路當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€靜電發(fā)生器，如圖(a)。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如圖(b)。其電容量為

＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)壓電傳感器的等效電路當兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖(b)。qCaUaUa＝q/Caq＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路壓電傳感器等效原理傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對于靜態(tài)標定以及低頻準靜態(tài)測量極為不利，必然帶來誤差。事實上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路Ca傳感器的固有電容Ci前置放大器輸入電容Cc連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻可見，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測試系統(tǒng)有一定的低頻或準靜態(tài)響應，要求壓電傳感器絕緣電阻應保待在1013Ω以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。與上相適應，測試系統(tǒng)則應有較大的時間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測量誤差。

壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的特點：高阻抗，低能量。接入高輸入阻抗前置放大器的作用：把傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號。電壓放大器電荷放大器1、電壓放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua

2、電荷放大器電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運算電流僅流入反饋回路CF與RF。－A0CaU∑USC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF實際的電荷放大器由電荷轉(zhuǎn)換級、適調(diào)放大級、低通濾波級、電壓放大級、過載指示電路和功率放大級6部分組成。電荷放大器靈敏度與電纜電容無關(guān)上限下限等效電路和測量電路一、壓電晶片的連接方式（1）并聯(lián)：（2）串聯(lián)：并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于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，適用于以電壓作為輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的場合。二、壓電傳感器的等效電路只適宜動態(tài)測量壓電晶片：壓電傳感器：壓電傳感器在實際測量系統(tǒng)中的等效電路四、壓電式傳感器的應用（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用當傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F＝ma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運動方向21345縱向效應型加速度傳感器的截面圖（一）

壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種?？v向效應是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。q＝d33F＝d33ma此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。

壓電式加速度傳感器——重塊質(zhì)量——加速度（二）

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，壓電式測壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。壓電式測壓傳感器的原理簡圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導電片6組成。當膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為F——作用于壓電片上的力；d11——壓電系數(shù)；P——壓強，；S——膜片的有效面積。123456p壓電式測壓傳感器原理圖壓電式壓力傳感器電極結(jié)構(gòu)預緊力測壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一個壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：因為，所以電壓靈敏度也可表示為

U0——壓電片輸出電壓；C0——壓電片等效電容電荷靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度（三）

壓電式流量計利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設(shè)置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時間(如1/100s)，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個關(guān)系，可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計此流量計可測量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%，有的可達到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測量聲速隨深度的分布情況（四）集成壓電式傳感器是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點，廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。脈搏計照片

典型應用：·脈搏計數(shù)探測·按鍵鍵盤，觸摸鍵盤·振動、沖擊、碰撞報警·振動加速度測量·管道壓力波動·其它機電轉(zhuǎn)換、動態(tài)力檢測等

力敏元件主要性能指標：壓力范圍≤1kPa靈敏度≥0.2ｍV/Pａ非線性度≤1％F.S頻率響應1～1000Hz標準工作電壓4.5V（DC）擴充工作電壓3～15V(DC)標準負載電阻2.2kΩ擴充電阻1kΩ～12kΩ外形尺寸12.7×7.6重量＜1.5ｇ集成壓電傳感器連線電路輸出力敏元件地線R=2.2kΩ電源集成壓電傳感器連線電路OO（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用如果地面下有一條均勻的直管道某處O點為漏點，振動聲音從O點向管道兩端傳播，傳播速度為V，在管道上A、B兩點放兩只傳感器，A、B距離為L（已知或可測），從A、B兩個傳感器接收的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間為tA（=LA/V）和tB（=LB/V），兩者時間差為Δt=tA-tB=（LA-LB）/V（1）又L=LA+LB（2）LABO點LALB地面1、檢測原理因為管道埋設(shè)在地下，看不到O點，也不知道LA和LB的長度，已知的是L和V，如果能設(shè)法求出Δt，則聯(lián)立（1）+（2）得：

LA=(L+ΔtV)/2（3）或者將（1）-（2）得：LB=（L-ΔtV）/2（4）

關(guān)鍵是確定Δt，就可準確確定漏點O。如果從O點出發(fā)的是一極短暫的脈沖，在A、B兩點用雙線掃描同時開始記錄，在示波器上兩脈沖到達的時間差就是Δt。實際的困難在于漏水聲是連續(xù)不斷發(fā)出的，在A、B