第07章 壓電式傳感器

第七章壓電式傳感器壓電效應(yīng)壓電材料壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式等效電路測(cè)量電路壓電式傳感器應(yīng)用舉例本章內(nèi)容：測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)正壓電效應(yīng)

某些物質(zhì)在一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

在壓電材料的兩個(gè)電極上加以交流電壓，壓電片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應(yīng)”，也稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電效應(yīng)(piezoelectriceffect)§7.1壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)演示逆壓電效應(yīng)機(jī)械能正壓電效應(yīng)電能§7.1壓電效應(yīng)§7.1壓電效應(yīng)用極化強(qiáng)度矢量表示材料的壓電效應(yīng)：dm,n為壓電系數(shù)，m表示產(chǎn)生電荷的面的軸向，n表示施加作用力的軸向。正壓電效應(yīng)：（每單位力輸入時(shí)電荷密度）逆壓電效應(yīng)：（每單位場(chǎng)強(qiáng)作用下的應(yīng)變）§7.1壓電效應(yīng)主要的壓電效應(yīng)：橫向效應(yīng)；縱向效應(yīng)；剪切效應(yīng)壓電效應(yīng)作用方向圖

例：石英晶體的壓電效應(yīng)晶片在電軸x-x方向上受到壓應(yīng)力：結(jié)論：當(dāng)石英晶體切片受x向壓力作用時(shí)，所產(chǎn)生的電荷量qxx與作用力Fx成正比，但與切片的幾何尺寸無(wú)關(guān)?！?.1壓電效應(yīng)在橫向(y-y)施加作用力結(jié)論：當(dāng)沿著機(jī)軸y-y方向施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷量與晶片幾何尺寸有關(guān)，而該電荷的極性則與沿電軸x-x方向加壓力時(shí)產(chǎn)生的電荷極性相反(式中負(fù)號(hào))。壓電材料的主要特性參數(shù)

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)系到壓電材料輸出的靈敏度；

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)特征；(1)壓電常數(shù)(2)彈性常數(shù)(3)介電常數(shù)§7.1壓電效應(yīng)(4)機(jī)電耦合系數(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少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性；(6)居里點(diǎn)壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。壓電材料的主要特性參數(shù)§7.1壓電效應(yīng)壓電元件材料一般有三類：

(1)單晶壓電晶體（如上述的石英晶體）(2)多晶壓電陶瓷(3)新型壓電材料

---壓電半導(dǎo)體

---高分子壓電材料§7.2壓電材料的分類及特性1.石英晶體

一種天然晶體，壓電系數(shù)d11＝2.31×10-12C/N；莫氏硬度為7、熔點(diǎn)為1750℃、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550℃(壓電系數(shù)不隨溫度而改變)、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性好?！?.2壓電材料的分類及特性x軸：電軸或1軸；y軸：機(jī)械軸或2軸；z軸：光軸或3軸?！翱v向壓電效應(yīng)”：沿電軸(x軸)方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)”：沿機(jī)械軸(y軸)方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸(z軸)方向有作用力時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。§7.2壓電材料的分類及特性天然石英晶體外形1.石英晶體§7.2壓電材料的分類及特性石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝§7.2壓電材料的分類及特性石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出晶振§7.2壓電材料的分類及特性2.壓電陶瓷人工制造的多晶體，壓電機(jī)理與壓電晶體不同。壓電陶瓷的極化（a）未極化的陶瓷（b）正在極化的陶瓷（c）極化后的陶瓷§7.2壓電材料的分類及特性常見壓電陶瓷：(1)鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英(2)鋯鈦酸鉛Pb(Zr·Ti)O3系壓電陶瓷(PZT)

壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。(3)鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷(PMN)

具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫環(huán)境中測(cè)力傳感器?！?.2壓電材料的分類及特性壓電陶瓷外形§7.2壓電材料的分類及特性無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形（上海硅酸鹽研究所研制）§7.2壓電材料的分類及特性3.新型壓電材料(1)壓電半導(dǎo)體材料壓電半導(dǎo)體材料有硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、碲化鋅(ZnTe)和砷化鎵(GaAs)等。這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測(cè)力和溫度等參數(shù)?！?.2壓電材料的分類及特性(2)高分子壓電材料

典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、改性聚氯乙烯(PVC)等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。3.新型壓電材料§7.2壓電材料的分類及特性高分子壓電薄膜及拉制§7.2壓電材料的分類及特性高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜§7.2壓電材料的分類及特性可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板§7.2壓電材料的分類及特性高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）§7.2壓電材料的分類及特性雙晶片結(jié)構(gòu)形式

實(shí)際使用中，采用單片壓電片工作的話要產(chǎn)生足夠表面電荷就需很大作用力但測(cè)量粗糙度和微壓差時(shí)所提供的力很小，因此為了提高其靈敏度，通常是把兩片或兩片以上同型號(hào)的壓電元件粘貼在一起。由于壓電晶片有電荷極性，因此連接方式有并聯(lián)和串聯(lián)兩種形式。并聯(lián)串聯(lián)§7.3壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式兩個(gè)壓電片的聯(lián)結(jié)方式

(b)“串聯(lián)”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2

而串聯(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(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方。(a)

“并聯(lián)”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C

并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方?！?.3壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式§7.4壓電傳感器等效電路(a)等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ca的并聯(lián)電路(b)等效成一個(gè)電源U=Q/Ca和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路§7.4壓電傳感器等效電路

壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。因此常先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。測(cè)量電路關(guān)鍵在于高輸入阻抗的前置放大器。前置放大器兩個(gè)作用：

把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出?！?.5壓電傳感器的測(cè)量電路1、電壓放大器Ca：傳感器電容Ra：傳感器漏電阻Cc：連接電纜的等效電容Ri：放大器輸入電阻Ci：放大器輸入電容§7.5壓電傳感器的測(cè)量電路前置放大器輸入電壓壓電元件上作用力F=Fmsinωt壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為Q=d11·F。輸入電壓的幅值§7.5壓電傳感器的測(cè)量電路當(dāng)作用力為靜態(tài)力(ω=0)時(shí)，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能用于靜態(tài)量的測(cè)量。壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。

§7.5壓電傳感器的測(cè)量電路結(jié)論：輸入電壓的幅值電壓放大器應(yīng)用限制

壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡(jiǎn)單，元件少價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場(chǎng)合的應(yīng)用?！?.5壓電傳感器的測(cè)量電路解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。壓電式加速度傳感器

壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個(gè)超小型靜電放大器。由于引線非常短，引線電容幾乎等于零，就避免了長(zhǎng)電纜對(duì)傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號(hào)，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷?！?.5壓電傳感器的測(cè)量電路2、電荷放大器

電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)1010~1012Ω，輸出阻抗小于100Ω。使用電荷放大器突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。§7.5壓電傳感器的測(cè)量電路壓電傳感器的電荷放大器等效電路§7.5壓電傳感器的測(cè)量電路輸出電壓正比于輸入電荷。在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。充電電壓接近等于放大器的輸出電壓結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無(wú)關(guān)系；2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成線形關(guān)系的輸出電壓。3、反饋電容Cf小，輸出就大。4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度，必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?、輸出電壓與電纜電容無(wú)關(guān)條件：(1+K)Cf>>(Ca+Cc+Ci)§7.5壓電傳感器的測(cè)量電路超小型電荷放大器模塊主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100kHz(上、下限可選)

噪聲(最大靈敏度)：輸出端小于1mV

歸一化：外接電阻調(diào)整

線性誤差：1%

最大輸出：±5V或±10V

電

源：±6V～±15V特點(diǎn)：可組成經(jīng)濟(jì)的多點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)§7.5壓電傳感器的測(cè)量電路§7.5壓電傳感器的測(cè)量電路多通道電荷放大器1.高分子壓電材料的應(yīng)用玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測(cè)振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會(huì)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，并將電壓信號(hào)傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。粘貼位置§7.6壓電傳感器的應(yīng)用2.交通監(jiān)測(cè)

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測(cè)、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場(chǎng)滑行道等。§7.6壓電傳感器的應(yīng)用壓電式振動(dòng)加速度傳感器結(jié)構(gòu)及外形

橫向振動(dòng)測(cè)振器縱向振動(dòng)測(cè)振器§7.6壓電傳感器的應(yīng)用3.在振動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用

壓電振動(dòng)加速度傳感器性能指標(biāo)

（以某小型“內(nèi)裝IC的壓電加速度傳感器”為例）

技術(shù)指標(biāo)：

靈敏度：500mV/g

量程：10g

頻率范圍：4-4000Hz

安裝諧振點(diǎn):15kHz

分辨力：0.00004g

重量：40g

安裝螺紋：M5mm

線性：≤1%§7.6壓電傳感器的應(yīng)用壓電振動(dòng)加速度傳感器在汽車中的應(yīng)用

加速度傳感器可以用于判斷汽車的碰撞，從而使安全氣囊迅速充氣，從而挽救生命；還可安裝在氣缸的側(cè)壁上，盡量使點(diǎn)火時(shí)刻接近爆震區(qū)而不發(fā)生爆震，但又能使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出盡可能大的扭矩?！?.6壓電傳感器的應(yīng)用空分機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖§7.6壓電傳感器的應(yīng)用壓電測(cè)振傳感器在結(jié)構(gòu)故障診斷中應(yīng)用該空分機(jī)某次大修后開機(jī)，發(fā)現(xiàn)齒輪箱劇烈振動(dòng)，并伴隨尖叫聲。為了對(duì)其進(jìn)行診斷，采用加速度傳感器拾取齒輪箱3＃、4＃、5＃、6＃軸承座振動(dòng)情況，采樣頻率為15000Hz，采樣長(zhǎng)度1024點(diǎn)。下圖為齒輪箱5＃軸承座的振動(dòng)波形和FFT頻譜。

空分機(jī)5#軸承座振動(dòng)波形及其頻譜§7.6壓電傳感器的應(yīng)用

(a)波形(b)頻譜

(c)包絡(luò)(d)包絡(luò)譜齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的包絡(luò)分析§7.6壓電傳感器的應(yīng)用§7.6壓電傳感器的應(yīng)用4.在超