第5章 壓電式傳感器

1、第5章 壓電式傳感器1 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)。它以某些電介質的壓電效應為基礎，在外力作用下，在電介質的表面上產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。 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、結構簡單、工作可靠、質量輕等優(yōu)點。近年來，由于電子技術的飛速發(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、電聲學等許多技術領域中，壓電式傳感器獲得了廣泛的應用。 觸覺傳感器加速度傳感器第5章 壓電式傳感

2、器2 5-1 壓電效應 壓電效應：沿著一定方向對某些電介質施力而使它變形時，其內部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)。逆壓電效應(電致伸縮效應)：在電介質的極化方向施加電場，這些電介質產(chǎn)生變形。具有壓電效應的物質如天然形成的石英晶體，人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛等。天然石英晶體人工制造的壓電陶瓷第5章 壓電式傳感器3 一、石英晶體壓電效應 5-1 壓電效應 天然結構石英晶體的理想外形是一個正六面體，石英晶體的坐標系： Z軸，也叫光軸，經(jīng)過正六面體棱線； X軸，也叫電軸，垂直于正六面體的棱邊； Y軸，也叫機械軸，垂直于正六面體的棱面。（光軸）（

3、電軸）（機械軸）（a）正負電互相平衡，外部沒有帶電現(xiàn)象。（b）X向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷“縱向壓電效應”“橫向壓電效應”（c）Y向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)、負電荷 第5章 壓電式傳感器4 從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如右圖所示。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。 石英晶體切片 5-1 壓電效應 第5章 壓電式傳感器5 5-1 壓電效應 當晶片受沿電軸(X軸)的壓力Fx作用時厚度變形極化現(xiàn)象1111XXXXXFPddlbXXXqPlb11XXqd FPXX 極化強度XX 應力FX 沿晶軸X方向施加的壓縮力；d1

4、1壓電系數(shù)，與受力方向有關；l，b石英晶片的長度和寬度qX垂直于X軸平面上電荷11XXXXXqFUdCC極間電壓CX 電極面間電容X軸平面上電荷第5章 壓電式傳感器6 5-1 壓電效應 當晶片受沿機械軸(Y軸)的壓力Fy作用時，電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)1212XYYYlblqdFdFtbt電荷的大小為：其中，d12 石英晶體在Y軸方向受力時的壓電系數(shù)， d11=- d12 t 晶片厚度11XYYlqdFt 11XYYXXXqFlUdCt CX軸平面上電荷極間電壓第5章 壓電式傳感器7 5-1 逆壓電效應 晶體在外電場的作用下，內部正負電荷的重心會發(fā)生位移這一極化位移又會導致晶體發(fā)生形變。即

5、在壓電體表面形成上正、下負的電場時，壓電體在長度方向便會伸張；反之，若在壓電體上、下表面施加反向電場則壓電體在長度方向就會收縮。當對壓電體施加交變電場時，在壓電體中就會激發(fā)出某種模態(tài)的彈性振動。t=d11UX1111XXUtdd Ett其中，EX X軸方向的電場強度11XlldUt 11Xld El 第5章 壓電式傳感器8 由上述可知： 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)之間呈線性關系； 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；（正壓電效應存在，逆壓電效應必存在，反之而不對。） 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的。 5-1 壓電效應 第5章

6、壓電式傳感器9 5-2 壓電材料 應用于壓電式傳感器中的壓電材料主要有兩種：一種是壓電晶體，如石英等；另一種是壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。 對壓電材料要求具有以下幾方面特性。轉換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、機械剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。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。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。時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。第5章 壓電式傳感器10 一、石英晶體 石英在高溫下相對介 電常數(shù)的溫度特性石英的

7、d11系數(shù)相對于 20 oC的d11 隨溫度變化特性 5-2 壓電材料 石英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，在常溫范圍內這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化。 優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當好。 缺點是價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。第5章 壓電式傳感器11 二、壓電陶瓷 5-2 壓電材料 壓電陶瓷由于具有很高的壓電系數(shù)，因此在壓電式傳感器中得到廣泛應用。壓電陶瓷主要有以下幾種。(一)鈦酸鋇壓電陶瓷由碳酸鋇(BaCO3)和二氧化鈦(TiO2)按11克分子比例混合后充分研磨成型，經(jīng)高溫1300140

8、0 oC燒結，然后再經(jīng)人工極化處理得到的壓電陶瓷。優(yōu)點：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)。缺點：居里溫度低(120oC)，溫度穩(wěn)定性和力學強度不如石英晶體。(二)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb(Zr、Ti)O3。優(yōu)點：與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300 oC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他微量元素(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。第5章 壓電式傳感器12材 料形狀壓電系數(shù)(10-12

9、 C/N)相對介電系數(shù)居里溫度(C)密 度(103kg/m3)機械品質因數(shù)石 英-SiO2單晶d11=2.31d14=0.7274.65732.65105鈦酸鋇BaTiO3陶瓷d33=190d31=-7817001205.7300鋯鈦酸鉛PZT陶瓷d33=71590d31=-100-23046034001803507.57.6651300硫化鎘CdS單晶d33=10.3d31=-5.2d15=-1410.39.354.82氧化鋅ZnO單晶d33=12.4d31=-5.0d15=-8.311.09.265.68聚二氟乙烯PVF2延伸薄膜d31=6.751201.8復合材料PVF2-PZT薄膜d3

10、156表5-2 常用壓電材料的主要特性第5章 壓電式傳感器13 5-3 壓電式傳感器的測量電路 一、等效電路壓電傳感器的等效原理 0raSSCFtt 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。因此，可把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器。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。電容量為： 式中 S極板面積(m2)； t晶體厚度(m)； 壓電晶體的介電常數(shù)(F/m)； r壓電晶體的相對介電常數(shù)； 0真空介電常數(shù)(0=8.8510-12F/m)。 電壓大小為：aaqUC式中 q板極上聚集的電荷電量(C)； C

11、a兩極板間等效電容(F)； Ua兩極板間電壓(V)。第5章 壓電式傳感器14(b)電荷等效電路 5-3 壓電式傳感器的測量電路 一、等效電路(a)電壓等效電路 第5章 壓電式傳感器15 5-3 壓電式傳感器的測量電路 一、等效電路壓電晶體不適合靜態(tài)測量由等效電路可知，只有傳感器內部信號電荷無“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下來，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。傳感器內部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大。外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充壓電晶體可用于動態(tài)測量第5章 壓電式傳感器16將壓電傳感器和測量儀器連接時，考慮： 連接

12、導線的等效電容、電阻； 前置放大器的輸入電阻、輸入電容的完整電荷等效電路。 5-3 壓電式傳感器的測量電路 一、完整等效電路Ca傳感器的電容 Ci前置放大器輸入電容 Cc連接導線對地電容Ra包括連接導線在內的傳感器絕緣電阻 Ri前置放大器的輸入電阻從等效電路看來，壓電傳感器的絕緣電阻Ra /前置放大器的輸入電阻Ri絕緣電阻Ra 時間常數(shù)第5章 壓電式傳感器17 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（一）電壓放大 傳感器輸出為電壓信號，前置放大器把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出：aaaCFdCqU11msinFFt33maasindFUtC其中，F(xiàn)m作用力的幅值第5章 壓電式傳

13、感器18 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（一）電壓放大等效電阻aiaiR RRRR等效電容C=Cc+Ci前置放大器輸入端的電壓Uii33j1jaRUd FR CCUi的幅值Uim為33mim222aci1d FRURCCC輸入電壓與作用力之間的相位差 aciarctan2R CCC第5章 壓電式傳感器19若/0 1，即作用力變化頻率與測量回路時間常數(shù)的乘積遠大于1時，前置放大器的輸入電壓Uim與頻率無關。一般認為/0 3，可以近似看做輸入電壓與作用力頻率無關。這說明，在測量回路時間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當好的高頻響應特性。 33m33mim2aci01/d FRd

14、FUCCC 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（一）電壓放大令=R(Ca+Cc+Ci)，為測量回路的時間常數(shù)，并令 0=1/，則可得33mim222aci1d FRURCCC但當被測動態(tài)量變化緩慢，而測量回路時間常數(shù)不大時，就會造成傳感器靈敏度下降。因而要擴大工作頻帶的低頻端，就必須提高測量回路的時間常數(shù)。但是靠增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)，會影響傳感器的靈敏度。第5章 壓電式傳感器20電壓靈敏度33im2m2aci1udUKFCCCR 因為R 1，故上式可以近似為 33uacidKCCC 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（一）電壓放大Ku與回路電容成反比，增加回路電

15、容 Ku 。 因此常將輸入內阻Ri 很大的前置放大器接入回路，而不是增加電容值。當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時，Cc將改變，Uim也隨之變化，從而使前置放大器的輸出電壓USC=-AUim也發(fā)生變化(A為前置放大器增益)。 因此，在使用時，如果改變電纜長度，必須重新校正靈敏度值。第5章 壓電式傳感器21電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器。電荷放大器原理電路圖 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（二）電荷放大FF0FF0F0F1j1j1j11SCiUUCRUAUCRUACAR 壓電傳感器接至電荷放大器的等效電路圖C=(1+A0)CF1/R=(1+A0)/RF第5章 壓

16、電式傳感器001SCFFA qqUA CC 22 若考慮電纜電容Cc，則有 0a0FaFj111j1qUACA CRR000a0FaFj111j1SCqAUAUACA CRR 00ac0FaFj111j1SCqAUACCA CRR 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（二）電荷放大當A0足夠大時，傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數(shù)CF和RF。由于1/RFCF，有第5章 壓電式傳感器23 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（二）電荷放大001SCFFA qqUA CC 可見當A0足夠大時，輸出電壓只取決于輸入

17、電荷q和反饋電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。第5章 壓電式傳感器1.分析用 近似誤差與運放放大倍數(shù)的關系。24例，若Ca=1 000 pF、CF=100 pF、Cc=(100 pF/m)100 m=104 pF，當要求1%時，則有 由此得A0104。對線性集成運算放大器來說，這一要求是不難達到的。 0ac0F1SCA qUCCA C FSCqUC ac0F1SCSCSCUUCCUA C 401000 100.011100A 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（二）電荷放大近似誤差這里USC不考慮電阻的影響，即第5章 壓電式傳感器25當工作頻率很低時，分母中的電導1/R

18、a+(1+A0)/RF與電納 jCa+Cc+(1+A0)CF相比不可忽略。此時電荷放大器的輸出電壓USC就成為一復數(shù)，其幅值和相位都將與工作頻率有關，即 0F00FFFj1111j11jSCFqAqUCAA CRC RLFF12fR CFF190arctanR C 5-3 壓電式傳感器的測量電路 二、測量電路（二）電荷放大2.分析用近似誤差與工作頻率的關系。00ac0FaFj111j1SCqAUACCA CRR-3dB截止頻率為相位誤差可見：壓電式傳感器配用電荷放大器時，其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)RF和CF，其中CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。第5章 壓電式傳感器

19、26 5-4 壓電式傳感器的應用 一、壓電式加速度傳感器 (一)結構原理壓電式加速度傳感器結構一般有縱向效應型、橫向效應型和剪切效應型三種?？v向效應型最常見，如下圖?？v向效應型加速度傳感器的截面圖壓電陶瓷和質量塊為環(huán)型，通過螺母對質量塊預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極引出。當傳感器感受振動時，因為質量塊相對被測體質量較小，因此質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，此力為F=ma。慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為3333qd Fd ma壓電陶瓷質量塊螺母基座電極第5章 壓電式傳感器27 (a) 為并聯(lián)形式，