第11 12講 壓電式傳感器

第6章壓電式傳感器壓電傳感器是典型的無(wú)源傳感器。又稱自發(fā)電式傳感器及電勢(shì)式傳感器。壓電傳感器的工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。特點(diǎn)：體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠；適合動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)量，不能測(cè)量靜態(tài)量。目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力學(xué)或壓力的測(cè)量。壓電傳感器是一個(gè)機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。應(yīng)用：拾音器、壓電引信、燃?xì)恻c(diǎn)火具。壓電式傳感器6.1壓電效應(yīng)及壓電材料一、壓電效應(yīng)一些晶體結(jié)構(gòu)的材料，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；而當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。壓電傳感器晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如果給晶體施加以交變電場(chǎng)，晶體本身則產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，又稱電致伸縮效應(yīng)。壓電效應(yīng)具有可逆性。壓電材料具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換。在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱，隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT)等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料分為：壓電晶體、壓電陶瓷、高聚物和復(fù)合材料（壓電陶瓷和高聚物復(fù)合）。高分子材料壓電傳感器高分子材料聚偏氟乙烯（PVF2）具有壓電特性。特點(diǎn)：壓電系數(shù)大，頻率響應(yīng)寬，機(jī)械強(qiáng)度好，質(zhì)量輕，耐沖擊。應(yīng)用：壓電薄膜制成的稱重傳感器；高分子壓電薄膜制成機(jī)器人觸覺(jué)敏感元件。壓電材料的主要特性參數(shù)（1）壓電常數(shù)：是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對(duì)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(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。壓電材料的主要特性參數(shù)（4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）電阻：壓電材料的絕緣電阻將減小電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點(diǎn)：壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度。一、石英晶體（SiO2）優(yōu)點(diǎn)：絕緣性能好，機(jī)械強(qiáng)度高；壓電溫度系數(shù)小，居里溫度點(diǎn)高；缺點(diǎn)：資源少，價(jià)格較貴；壓電系數(shù)低。只在標(biāo)準(zhǔn)傳感或精度要求較高的傳感器中使用。Z—光軸X—電軸Y—機(jī)械軸石英晶體是一個(gè)正六面體，各個(gè)方向的特性是不同的?？v向壓電效應(yīng)：沿電軸X方向施加力的作用產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)：沿機(jī)械軸Y方向施加力的作用產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)。d11---x方向受力的壓電系數(shù)；d12---y方向受力的壓電系數(shù)；當(dāng)石英晶體不受力時(shí)，正負(fù)電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零。P1+P2+P3=0.當(dāng)受到X方向的壓力作用時(shí)，P1減小，P2,P3增大，在X軸正方向出現(xiàn)負(fù)電荷；當(dāng)受到Y(jié)方向的壓力作用時(shí)，P1增大，P2,P3減小，在X軸正方向出現(xiàn)正電荷。二、壓電陶瓷是一種人工制造的多晶壓電材料，它由無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)微的單晶組成。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，在無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。必須對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化處理，在陶瓷上施加外電場(chǎng)。在壓電傳感器中多采用鈦酸鋇及鋯鈦酸鉛壓電陶瓷作為壓電元件。電荷量與外力的關(guān)系：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)。鈦酸鋇的壓電系數(shù)是石英的50倍，但居里溫度點(diǎn)只有115℃，使用溫度不超過(guò)70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛，居里溫度點(diǎn)300℃，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。壓電陶瓷可以按受力和變形的不同形式制成各種形狀的壓電元件。三、壓電式傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷輸出。為了提高靈敏度，常把幾片同型號(hào)的壓電元件組合使用：并聯(lián)和串聯(lián)。并聯(lián)使用時(shí)，電荷量增加一倍，電容量也增加一倍，輸出電壓不變，適合測(cè)量慢變信號(hào)并以電荷作為輸出的場(chǎng)合；串聯(lián)使用時(shí)，電荷量不變，電容量減小一半，輸出電壓增大一倍，適用于以電壓作輸出信號(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。6.2壓電式傳感器的測(cè)量電路一、壓電式傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電傳感器可以看作一個(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：壓電元件的等效電路二、壓電傳感器的測(cè)量電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：（1）把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；（2）放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。壓電傳感器的測(cè)量電路1.電壓放大器就可以認(rèn)為Uim與頻率無(wú)關(guān)，

0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)的倒數(shù)。當(dāng)時(shí)，結(jié)論：壓電傳感器具有很好的高頻響應(yīng)，但當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力時(shí)，前置放大器的輸入電壓等于零，因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器的輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。2.電荷放大器由運(yùn)算放大器的特性，可求出電荷放大器的輸出：當(dāng)（1+A）Cf>>Ca+Cc+Ci時(shí)，電荷放大器的輸出電壓只取決于輸入電荷與反饋電容，與電纜電容無(wú)關(guān)，且與q成正比，因此通常與壓電傳感器配合使用。6.3壓電式傳感器的應(yīng)用一、壓電式測(cè)力傳感器測(cè)力范圍；0~50N，重10g.最小分辨率為：0.01N.二、壓電式加速度傳感器壓電傳感器的固有頻率當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷與作用力成正比。當(dāng)a=g(重力加速度）時(shí)得到的電荷Q值，稱為靈敏度。固有頻率：其中k=EA/l，E，A，l分別是壓電晶體的楊氏模量、電極面面積和晶片厚度。二、壓電式加速度傳感器的幾種結(jié)構(gòu)有壓縮式、剪切式和彎曲式三種：壓縮式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配較方便，也最常見(jiàn)；剪切式靈敏度高，能減小基座