生物醫(yī)學(xué)傳感器：壓電式傳感器

第三章物理傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種有源型傳感器，其工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。當(dāng)這些物質(zhì)材料表面受力作用變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量轉(zhuǎn)換為電量。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好的特點(diǎn)，多用于加速度和動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。一、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)在沿一定方向受力作用發(fā)生形變時(shí)，其兩表面上會(huì)產(chǎn)生電荷，并且電荷密度與機(jī)械力大小成正比；當(dāng)去掉外力時(shí)，它又重新回到不帶電狀態(tài)，這種機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：在該物質(zhì)兩個(gè)電極面上施加外電場(chǎng)，則其產(chǎn)生形變或機(jī)械振動(dòng)，這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

常用壓電材料分為兩類：壓電晶體（石英）和壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等）二、石英晶體的壓電效應(yīng)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）方向施加力作用后的壓電效應(yīng)；“橫向壓電效應(yīng)”：沿機(jī)械軸（Y軸）方向施加力作用后的壓電效應(yīng)；在光軸（Z軸）方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時(shí)，則在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷

d11為x軸方向受力的壓電系數(shù)（C/N）如果沿機(jī)械軸方向加作用力Fy時(shí)，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，而極性方向相反由于石英軸對(duì)稱石英晶體切片a和b為晶體切片的長(zhǎng)度和厚度，d12為y軸方向受力的壓電系數(shù)（C/N）。

電荷Qx和Qy的極性由受壓還是受拉決定。Qx的大小與晶體切片的幾何尺寸無關(guān)，而Qy與晶體切片的幾何尺寸有關(guān)。（a）正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。（b）在X軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。（c）沿Y軸方向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷石英晶體的壓電模型晶體切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系石英晶體是一種天然晶體，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。三、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是由幾種氧化物或碳酸鹽燒結(jié)而成的多晶體，自發(fā)極化紊亂，只有經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷才具有壓電特性。其壓電系數(shù)比石英晶體高，但穩(wěn)定性、力學(xué)性能不如石英。壓電陶瓷的極化陶瓷片經(jīng)極化后存在剩余極化強(qiáng)度，使得其兩端出現(xiàn)束縛電荷，一端為正，另一端為負(fù)。由于束縛電荷的作用，在壓電陶瓷的極化兩端很快吸附一層來自外界的自由電荷，這時(shí)束縛電荷與自由電荷數(shù)值相等，極性相反，因此壓電陶瓷片對(duì)外不呈現(xiàn)極性。壓電陶瓷極化后的束縛電荷

壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)：壓電陶瓷片上施加一個(gè)與極化方向平行的外力，陶瓷片產(chǎn)生壓縮變形，原來吸附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系d33為壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F為

作用力。

需要注意的是，剛剛極化后的壓電陶瓷的特性是不穩(wěn)定的，經(jīng)過兩三個(gè)月以后，壓電常數(shù)才近似保持為一定常數(shù)。經(jīng)過兩年以后，壓電常數(shù)又會(huì)下降，所以要經(jīng)常校準(zhǔn)。四、壓電式傳感器的等效電路壓電傳感器可以看成一個(gè)帶有電荷源或電壓源的電容器壓電傳感器壓電式傳感器所積累的電荷不可能長(zhǎng)期保存，會(huì)存在負(fù)載電阻泄露電荷現(xiàn)象，因此不宜做靜態(tài)測(cè)量；只有對(duì)其施加交變力，電荷才能不斷補(bǔ)充，故壓電式傳感器只適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。(a)等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ce并聯(lián)的電路(b)等效成一個(gè)電壓源U=Q/Ce

和一個(gè)電容Ce的串聯(lián)電路(a)電荷源(b)電壓源壓電式傳感器的等效電路壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)需要考慮以下因素：傳感器本身的電容Ce和漏電阻Re，連接電纜的等效電容Cc、放大器的輸入電阻RI和輸入電容CI實(shí)際壓電傳感器的等效電路(a)電壓源(b)電荷源五、壓電式傳感器的測(cè)量電路 壓電式傳感器的特點(diǎn)是高輸出阻抗，低輸出信號(hào)，為了保證壓電式傳感器有小的測(cè)量誤差，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。 前置放大器有兩個(gè)作用:一是把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；二是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。1.電壓放大器設(shè)R為Re和RI并聯(lián)的等效電阻，C為Cc和CI并聯(lián)的等效電容，則若壓電元件沿x軸施加變力F=Fmsinωt，產(chǎn)生的電荷為Q=d11·F，電壓為放大器輸入端的電壓為電壓放大器輸入電壓的幅值為輸入電壓與作用力之間的相位差為得到電壓放大器的輸入電壓與壓電傳感器受力的大小成正比。電壓放大器的輸入電壓與壓電傳感器受力大小和工作頻率都有關(guān)系。對(duì)于直流的機(jī)械力信號(hào)，即ω=0時(shí)，UIm=0，說明壓電傳感器不適合于靜態(tài)力的測(cè)量。靈敏度為了擴(kuò)大傳感器的頻率響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù)τ，但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比，切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。壓電式傳感器的連接電纜不能太長(zhǎng)，因?yàn)殡娎|越長(zhǎng)，電纜電容Cc就越大，使的傳感器的電壓靈敏度降低。電壓放大器電路簡(jiǎn)單，元件少，價(jià)格便宜，但是電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大，解決辦法是將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。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。這樣引線非常短，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。壓電式加速度傳感器

電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。它是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)電流/電壓轉(zhuǎn)換器，將電流（電荷）變換為電壓信號(hào)。電荷放大器的特點(diǎn)是傳感器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無關(guān)，可用于壓電傳感器的遠(yuǎn)距離傳輸放大。

2.電荷放大器(a)等效電路(b)變換電路式中，壓電式傳感器電壓源電壓為電荷放大器閉環(huán)增益為A,有反饋電容CF是常數(shù)，可以通過它調(diào)節(jié)閉環(huán)增益大小。電荷放大器的輸出電壓與交變壓力的頻率、電纜長(zhǎng)度、電纜等效電容無關(guān)，電纜在幾百米長(zhǎng)時(shí)，都無需校驗(yàn)傳感器的靈敏度。六、壓電式傳