壓電式壓力傳感器原理及應(yīng)用

壓電式壓力傳感器原理及應(yīng)用自動(dòng)化研1302班王民軍壓電式壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器。而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應(yīng)制造而成的，這樣的傳感器也叫壓電式壓電傳感器。壓電式壓力傳感器可以用來(lái)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒壓力的測(cè)量與真空度的測(cè)量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來(lái)測(cè)量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來(lái)測(cè)量大的壓力，也可以用來(lái)測(cè)量微小的壓力。一、壓電式傳感器的工作原理1、壓電效應(yīng)某些離子型晶體電介質(zhì)（如石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等）沿著某一個(gè)方向受力而發(fā)生機(jī)械變形（壓縮或伸長(zhǎng)）時(shí)，其內(nèi)部將發(fā)生極化現(xiàn)象，而在其某些表面上會(huì)產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)重新回到不帶電的狀態(tài)，此現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)。2、壓電式壓力傳感器的特點(diǎn)壓電式壓力傳感器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器和測(cè)量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。壓電式壓力傳感器用于測(cè)量力和能變換為力的非電物理量，如壓力、加速度等（見壓電式壓力傳感器、加速度計(jì)）。壓電式壓力傳感器是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的。由壓電材料制成的壓電元件受到壓力作用時(shí)產(chǎn)生的電荷量與作用力之間呈線性關(guān)系：Q=k*S*p。式中Q為電荷量；k為壓電常數(shù)；、為作用面積；p為壓力。通過(guò)測(cè)量電荷量可知被測(cè)壓力大小。壓電式尻力壓電式尻力壓電式壓力傳感器的工作原理與壓電式加速度傳感器和力傳感器基本相同，不同的是彈性元件是由膜片等把壓力轉(zhuǎn)換成集中力，再傳給壓電元件。為了保證靜態(tài)特性及穩(wěn)定性，通常多采用壓電晶片并聯(lián)。在壓電式壓力傳感器中常用的壓電材料有石英晶體和壓電陶瓷，其中石英晶體應(yīng)用得最為廣泛。

二、壓電壓力傳感器等效電路和測(cè)量電路在校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器或高精度壓力傳感器中采用石英晶體做壓電元件外，一般壓電式壓力傳感器的壓電元件材料多為壓電陶瓷，也有用高分子材料（如聚偏二氟乙稀）或復(fù)合材料的合成膜的。更換壓電元件可以改變壓力的測(cè)量范圍；在配用電荷放大器時(shí)，可以用將多個(gè)壓電元件并聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度；在配用電壓放大器時(shí)，可以用將多個(gè)壓電元件串聯(lián)的方式提高傳感器的靈敏度。由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。（其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）前置放大器的作用：一是將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。前置放大器電路有兩種形式：一是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出）成正比；另一種是用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。圖（a）電壓等效電路，圖（b）簡(jiǎn)化電路：(b)R=工Ra+Ri如果壓電傳感器受力為F=F(b)R=工Ra+Ri如果壓電傳感器受力為F=Fm*sinst，則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為其中，ui為放大器輸入電壓；C=cc+ca，式中umd-F._.u=^msin①t=Usin①ta壓電元件輸出電壓，幅值d—壓電系數(shù)。而在放大器輸入端形成的電壓為R~^~j?CR+-1-加CR^~1j-CR+jbj-R1+j-R(C+C)adFm的幅值"im為:_d-F?sRim"1+32R2(C+C+的幅值"im為:當(dāng)3R(Ca+C+C)〉〉1時(shí)，放大器的輸入電壓為電壓放大器的功能是將壓電傳感器的高輸出阻抗變?yōu)檩^低阻抗，并將壓電式傳感器的微弱電壓信號(hào)放大，因此，也稱為阻抗變換器。下圖為電荷放大器：如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為Qi=Q-Qf,而。廣=(U-U0)C,=(-%-U0)C,=_(1+A)%￡式中，A為開環(huán)放大系數(shù)。UCf]2+(1+A)*f-AQ故放大器的輸出電壓為:當(dāng)A>>1，而(1+A)Cf>>所以有：-勺(UCf]2+(1+A)*f-AQ故放大器的輸出電壓為:當(dāng)A>>1，而(1+A)Cf>>oC+C+C+(1+A)CC+C+C時(shí)：放大器輸出電壓可以表示為電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。在電荷放大器中，輸出電壓U0與連接電纜電容Cc無(wú)關(guān)，而與電荷量Q成正比，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)信號(hào)的測(cè)量很方便，因此，電荷放大器被廣泛地應(yīng)用于壓電傳感器的測(cè)量電路中。三、壓電式加速度傳感器舉例分析現(xiàn)代工業(yè)和自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，非電物理量的測(cè)量和控制技術(shù)會(huì)涉及大量的動(dòng)態(tài)測(cè)試問(wèn)題。所謂動(dòng)態(tài)測(cè)試是指量的瞬時(shí)值以及它隨時(shí)間而變化的值的確定，即被測(cè)量為變量的連續(xù)測(cè)量過(guò)程。它以動(dòng)態(tài)信號(hào)為特征，研究了測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題，而動(dòng)態(tài)測(cè)試中振動(dòng)和沖擊的精確測(cè)量尤其重要。振動(dòng)與沖擊測(cè)量的核心是傳感器，常用壓電加速度傳感器來(lái)獲取沖擊和振動(dòng)信號(hào)。1、測(cè)量原理壓電式加速度傳感器又稱為壓電加速度計(jì)，它也屬于慣性式傳感器。它是典型的有源傳感器。利用某些物質(zhì)如石英晶體、人造壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。壓電敏感元件是力敏元件，在外力作用下，壓電敏感元件的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)量的目的。壓電加速度傳感器的原理框圖如下圖所示。實(shí)際測(cè)量時(shí)，將圖中的支座與待測(cè)物剛性地固定在一起。當(dāng)待測(cè)物運(yùn)動(dòng)時(shí)，支座與待測(cè)物以同一加速度運(yùn)動(dòng)，壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個(gè)表面上產(chǎn)生交變電荷（電壓）。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測(cè)量?jī)x器測(cè)試出電荷（電壓）大小，從而得出物體的加速度。壓電加速度傳感器的壓敏元件采用具有壓電效應(yīng)的壓電材料，換能元件是以壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理。這些壓電材料，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。其中彈性體是傳感器的核心，其結(jié)構(gòu)決定著傳感器的各種性能和測(cè)量精度，彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣對(duì)加速度傳感器性能的好壞至關(guān)重要。壓電材料可分為壓電晶體和壓電陶瓷兩大類，因壓電陶瓷的壓電系數(shù)比壓電晶體的大，且采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高，故本系統(tǒng)壓電元件采用壓電陶瓷，極化方向在厚度方向（z方向）。當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，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)。設(shè)質(zhì)量塊作用于壓電元件的力為F上，支座作用于壓電元件的力為F下，則有F^=Ma「=（M+m）a式中M為質(zhì)量塊質(zhì)量；m為晶片質(zhì)量；a為物體振動(dòng)加速度。由上面兩式可得晶片中厚度方向(z方向)任一截面上的力為F=Ma+ma(1-z/d)式中d為晶片厚度。則平均力為F=—Id[Ma+ma(1-z/d)~]dz=(M+—m)aTOC\o"1-5"\h\zd02因晶片為壓電陶瓷，極化方向在厚度方向(z方向)，作用力沿著z方向，故此時(shí)外加應(yīng)力只有T3，不等于零，其平均值為-11、T=(M+_m)a3A2式中A為晶片電極面面積。選用D型壓電常數(shù)矩陣，得電荷1、Q=dTA=d(M+—m)a333332式中d33為壓電常數(shù)。由于質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬鎢或其他金屬制成，而晶片很薄，即有M?m，故上式通常寫為Q=d33Ma故可知，壓電元件的Q和d33、M成正比，根據(jù)測(cè)量電荷量就可得到加速度。2、測(cè)量電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)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(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為&&ACOP式中A為晶片電極面面積；er為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；e0為真空介電常數(shù)。因此，壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電荷源。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此，它的測(cè)量電路通常需接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用如下：把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。本設(shè)計(jì)中前置放大器采用電荷放大器。壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容C、放大器的輸入電阻*.、輸人電容C及壓電傳感器的泄漏電阻Ra，這樣壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖所示。圖中，氣為運(yùn)算放大器增益。由于運(yùn)算放大器的*?極高，而Ra=109?1014歐姆，所以可認(rèn)為R?和勺是開路的。設(shè)運(yùn)算放大器輸人電壓為Ui，輸出電壓為U0,根據(jù)運(yùn)算放大器理論和電路理論得電荷量為Q=U(C+C+C)+(U-U￡式中CF為反饋電容。將"0=—AKUl代入上式得U=AKQ0(C+C+C)+(1+A)Cf若放大器開環(huán)增益足夠大，滿足(1+AK)CF?Ca+Cc+C時(shí)，上式可表示為UoCF故可知，在一定情況下，電荷放大器的出電壓與傳感器的電荷量成正此，并且與電纜分布電容無(wú)關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使聯(lián)接電纜長(zhǎng)度在百米以上，其靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。3、加速度傳感器的應(yīng)用加速度傳感器應(yīng)用范圍廣泛，一般來(lái)講它有六種檢測(cè)感應(yīng)功能：傾斜度檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、定位檢測(cè)、震動(dòng)檢測(cè)、振動(dòng)檢測(cè)和自由落下檢測(cè)。(1)傾斜度檢測(cè)加速度傳感器水平放置時(shí)，在重力作用下經(jīng)激勵(lì)有一定幅度的輸出，當(dāng)與重力方向有傾角時(shí)，傳感器信號(hào)輸出幅度會(huì)有所變化，對(duì)兩種狀態(tài)下信號(hào)輸出進(jìn)行比較計(jì)算可推算出傾斜角的大小，應(yīng)用雙軸、三軸加速度傳感器就可測(cè)出任意傾斜角的大小和方向。利用加速度傳感器測(cè)量?jī)A斜度的這種檢測(cè)感應(yīng)功能，加速度傳感器可應(yīng)用于傾斜儀、傾斜度偵測(cè)電子羅盤、圖像旋轉(zhuǎn)、文本滾動(dòng)瀏覽/用戶界面、LCD投影和物理治療法等方面。飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的MMA7260Q三軸加速度傳感器是用于傾角測(cè)量的典型應(yīng)用之一，它以重力為輸入矢量來(lái)決定物體在空間的姿態(tài)。把加速度傳感器固定于物體的水平面上，當(dāng)物體姿態(tài)改變時(shí)，加速度傳感器的敏感軸隨之轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，由于重力的作用，傳感器敏感軸上的加速度會(huì)發(fā)生改變，因此可通過(guò)測(cè)量加速度的變化來(lái)反映物體姿態(tài)的變化。（2）運(yùn)動(dòng)檢測(cè)在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，需要考慮幾個(gè)因素：如何計(jì)算它的位移，g值的范圍選擇及使用量測(cè)軸。首先應(yīng)確定位移：計(jì)算位移要將加速度進(jìn)行二重積分，速度部分則需進(jìn)行一次積分。利用這種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)感應(yīng)功能，加速度傳感器可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制、計(jì)步器和基本運(yùn)動(dòng)檢測(cè)等。國(guó)外應(yīng)用加速度傳感器進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方面的研究比較廣泛，特別是醫(yī)學(xué)臨床輔助診斷、體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、人體運(yùn)動(dòng)仿真等方面已取得大量研究成果。而國(guó)內(nèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)研究較少。加速度傳感器能獲取人體運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度的頻率和幅度，且其安裝簡(jiǎn)便、體積小，能滿足人體運(yùn)動(dòng)評(píng)估檢測(cè)的要求。CarhjnV.C.Bouten等人采用壓阻式三軸加速度傳感器測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)加速度與能量消耗的關(guān)系。此三軸加速度傳感器是由3個(gè)單維壓阻式加速度傳感器正交地安裝在一個(gè)很輕的立方體盒中組成，并由彈性繃帶系與人體腰背部，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體在坐、行走等日?；顒?dòng)運(yùn)動(dòng)中加速度的測(cè)量，并獲得加速度值與人體運(yùn)動(dòng)能量消耗的關(guān)系。運(yùn)用加速度傳感器測(cè)量步行運(yùn)動(dòng)最為經(jīng)典的研究是Freedson等人采用Actigraph單軸加速度測(cè)量了三種速度下的步行（4.8、6.4、9.7km/h，分別代表正常步速行走、快走和慢跑）。（3）定位檢測(cè)利用定位檢測(cè)感應(yīng)功能，加速度傳感器可應(yīng)用于汽車導(dǎo)航、防盜設(shè)備和地圖跟蹤等。定位的精確程度是衡量系統(tǒng)陛能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，因?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)等功能就是幫助用戶確定位置并提供正確的操作指示。目前，常用的定位手段有慣性導(dǎo)航定位、GPS衛(wèi)星定位和組合導(dǎo)航定位等。在車載導(dǎo)航系統(tǒng)中，加速度傳感器完成車輛瞬時(shí)加速度的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，然后根據(jù)推算定位法計(jì)算出當(dāng)前位置相對(duì)于已知參考位置之間的偏移，從而得到車輛的絕對(duì)位置。在短時(shí)間內(nèi)，利用這種方法得到的定位精度很高，在平均加速度28.4的情況下，10秒鐘內(nèi)得到的定位誤差大約是0.5m。AD公司出品的一款雙軸加速度測(cè)量系統(tǒng)ADXL202的定位方法是慣性導(dǎo)航定位的一種，雖然按照上述方法在短時(shí)間內(nèi)精度很高，但隨著時(shí)間增加，誤差積累效應(yīng)越來(lái)越大，會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)航精度。因此，通常用加速度傳感器和G/X5一起組合成為組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以此提高定位精度，增強(qiáng)系統(tǒng)性能。GPS系統(tǒng)是通過(guò)接收三顆呈120度分布的衛(wèi)星信號(hào)來(lái)最終確定物體的方位。在一些特殊的場(chǎng)合和地貌，比如遂道、高樓林立區(qū)和從林地帶，GPS信號(hào)會(huì)變差或完全失去，這種區(qū)域叫做死角。而通過(guò)安裝加速度傳感器和慣性導(dǎo)航，就可以進(jìn)行系統(tǒng)死區(qū)的測(cè)量。對(duì)加速度傳感器進(jìn)行一次積分，就變成單位時(shí)間內(nèi)的速度變化量，從而測(cè)出在死區(qū)內(nèi)物體的移動(dòng)。震動(dòng)檢測(cè)通常，震動(dòng)檢測(cè)所需的加速度傳感器的規(guī)則選取是按照被測(cè)量對(duì)象的減速度決定的，而且算法將隨每種設(shè)計(jì)的不同而變化。利用震動(dòng)檢測(cè)感應(yīng)功能，加速度傳感器可應(yīng)用于下降記錄、黑匣子/