第6章 壓電式傳感器

1、第6章壓電式傳感器主要內容n6.1 工作原理 n6.2 壓電式傳感器測量電路n6.3 壓電式傳感器的應用 知識單元知識單元與知識點與知識點壓電效應、正壓電效應、逆壓電效應的基本概念；壓電材料的分類及其特性；壓電式傳感器的等效電路、電荷放大器與電壓放大器的測量電路；壓電元件的連接特性；壓電式傳感器的應用。能力點能力點深入理解壓電效應、正壓電效應、逆壓電效應的基本概念；理解壓電式傳感器的等效電路、電荷放大器與電壓放大器的測量電路；了解壓電材料的分類及其特性；會分析壓電元件的連接特性；了解壓電式傳感器的應用。重難點重難點n重點：壓電式傳感器的工作原理、測量電路。n難點：壓電式傳感器的測量電路。學習要

2、求學習要求掌握壓電效應、正壓電效應、逆壓電效應的含義；掌握石英晶體具有壓電效應特性的分子結構特性、壓電陶瓷的壓電特性機理；了解壓電材料的主要特性參數及其含義、壓電材料的選??；掌握壓電式傳感器的等效電路與測量電路；掌握壓電元件并聯(lián)或串聯(lián)特性；了解壓電式傳感器的典型應用。6.1.1 壓電效應壓電效應n壓電效應壓電效應：是對某些電介質沿一定方向施以外力使其變形時，其內部將產生極化現(xiàn)象而使其表面出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。在外力去除后又重新恢復到不帶電狀態(tài)，是機械能轉變?yōu)殡娔?。n正壓電效應，逆壓電效應n特點：n結構簡單、體積小、重量輕；n工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；n工作可靠；測量范圍廣等。n用途：n主要

3、用于與力相關的動態(tài)參數測試，如動態(tài)力、機械沖擊、振動等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉換為電量。6.1.2 壓電材料nX軸向受力：nY軸向受力：nZ軸向受力：n無11xxqdf1211yyyaaqdfdfbb 石英晶體（單晶體）現(xiàn)象：機理：機理：壓電陶瓷（多晶體） 壓電機理：壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。 在無外無外電場作用時電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內極化強度為零極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性呈中性，不不具有壓電性質具有壓電性質。 在陶瓷上施加外電

4、場時施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強， 就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強度剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性具有壓電特性。 極化處理后陶瓷材料內部存在有很強的剩余極化剩余極化，當陶瓷材料受到外力外力作用作用時，電疇的界限發(fā)生移動，電疇發(fā)生偏轉， 從而引起剩余極化強度的變化， 因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產生的由機械效應轉變?yōu)殡娦?，將機

5、械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應正壓電效應。電荷量的大小與外力成如下的正比關系： Fdq33式中： d33 壓電陶瓷的壓電系數； F作用力。 壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度溫度有關，它的參數也隨時間時間變化， 從而使其壓電特性減弱。 壓電高分子材料n目前已發(fā)現(xiàn)的壓電系數最高、且已進行應用開發(fā)的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯聚偏氟乙烯，其壓電效應可采用類似鐵電體的機理類似鐵電體的機理來解釋。這種聚合物中碳原子的個數為奇數碳原子的個數為奇

6、數，經過機械滾壓和拉伸制作成薄膜之后，帶負電的氟離子和帶正電的氫離子負電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對應上下兩邊上，形成微晶偶極矩結構，經過一定時間的外經過一定時間的外電場和溫度聯(lián)合作用電場和溫度聯(lián)合作用后，晶體內部的偶極矩進一步旋轉定向，形成垂直于薄膜平面的碳氟偶極矩固定結構碳氟偶極矩固定結構。正是由于這種固定取向后的極化和外力作用時的剩余極化的變化，引起了壓電效應。壓電材料的特性參數壓電材料的特性參數n壓電系數：衡量壓電效應強弱（靈敏度）n彈性系數：決定固有角頻率（動態(tài)特性）n介電常數：影響固有電容（頻率下限）n機電耦合系數：用于衡量能量轉換效率n電阻：減少電荷泄漏（改善壓電式

7、傳感器的低頻特性）n居里點：開始失去壓電特性的溫度壓電材料的選取n選用合適的壓電材料是設計、制作高性能傳感器的關鍵。一般應考慮：n轉換性能：高耦合系數、大壓電系數n機械性能：機械強度高n電性能：高電阻率、大介電常數，減弱外部分布電容的影響n溫度、濕度穩(wěn)定性好：寬的溫濕度工作范圍n時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間褪化比較石英晶體、鈦酸鋇、PZT系n石英是較好的單晶體類壓電材料，除了壓電系數不大外，其他特性都具有顯著優(yōu)越性：居里點573，壓電系數的溫度系數小，彈性系數較大，機械強度高。主要用于測量大量值的力或加速度或作為標準傳感器使用n鈦酸鋇（BaTiO3）：較好的多晶體陶瓷類壓電材料，突出的特點：壓

8、電系數比石英大幾十倍，但居里點溫度在120左右，使用溫度不超過70，溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。較其他壓電陶瓷更容易極化。 n目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（鋯鈦酸鉛（PZT）系列）系列， 它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點在300左右，工作溫度較高，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數和壓電系數。但較難極化。6.2壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的測量電路電荷放大器(1)ffCK C iacifoiQUCCCCUK U (1)oacifK QUCCCK C0fCfQUUC結論：(1)放大器輸入阻抗極高，輸入端幾乎沒有分流，電荷只對反饋電

9、容充電，充電電壓接近于放大器的輸出電壓；（2）電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關，與電荷量成正比，電荷量與被測壓力成線性關系，因此，輸出電壓與被測壓力成線性關系。電壓放大器aiaiR RRRRicCCCsinmQd fd Fwtsinsinmmaad FQUwtUwtCC11Z1RCaaRZjwCjwCjwRCmRCiUZZU 電壓放大器mSimaciUdFCCC靈敏度 )(11icamamiCCCjwRjwRFdCCjwRjwRFdU2221()mimacid F wRUw R CCCarctan2aciwR CCC即理想情況下，前置放大器輸入電壓與頻率無關。mimacid FUCCC 放大

10、器輸入電壓的幅值：輸入電壓與作用力間的相位差：理想情況：Ra和Ri都為無窮大，故R為無窮大，有：1211imimUw wUw w1arctan2ww為了擴展頻帶的低頻段擴展頻帶的低頻段，要提高回路的時間常數R（Ca+Cc+Ci)，如果只增加電容量，會降低靈敏度S，故常采用Ri很大的前置放大器。11aciR CCC1令可見，w/w13時，Uim與w無關，即傳感器的高頻特性好。但w=0時，前置放大器的輸入電壓為0，即電荷通過放大器輸入電阻和傳感器漏電阻漏掉，故不能測靜態(tài)力不能測靜態(tài)力。（交變力可以使電荷不斷得到補充以供給測量電路）mSimaciUdFCCC靈敏度 2221()mimacid F w

11、RUw R CCC6.2.3壓電元件的連接與變形n壓電元件的連接 單片壓電元件產生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度， 在實際應用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結在一起。 從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產生的變形和電荷數量大小都與單片時相同。 圖a）從電路上看，這是并聯(lián)接法， 類似兩個電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時相同。圖b）從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負電荷中和，上、 下極板的電荷量與單片時相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。 6.3 壓電式傳感器的應用n6.3.1 壓電式力傳感器測力范圍：050N最小分辨率：0.01N絕緣阻抗：21014固有頻率：5060kHz非線性誤差：1%典型地：用于機床動態(tài)切削力的測量