壓電式傳感器

4.7壓電式傳感器

壓電式傳感器是基于某些材料的壓電效應(yīng)工作的。當(dāng)沿一定方向?qū)δ承┎牧希ㄈ缡⒕w）施加外力使之變形時，在一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力消失后，電荷隨之消失，這一現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料。壓電材料的壓電效應(yīng)是可逆的。在壓電材料的極化方向施加一電場，壓電材料將產(chǎn)生機(jī)械變形，外加電場消失，機(jī)械變形也隨之消失，這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。4.7.1壓電材料的特性圖4-93石英晶體的晶軸及其切片a）石英晶體的晶軸 b）石英晶體切片某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖1所示。

在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。圖1壓電效應(yīng)可逆性1.1石英晶體石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。圖2(a)表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。4.7.2常用壓電材料圖2石英晶體(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片圖3石英晶體壓電模型(a)不受力時；(b)x軸方向受力；(c)y軸方向受力d11為壓電系數(shù)（C/N）石英d11＝2.1×10-12C/N1.2壓電陶瓷（壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英晶體的幾十倍到幾百倍。）壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì),如圖4（a）所示。在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當(dāng)外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時的材料才具有壓電特性,如圖4（b）所示。1.3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)這個特性，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動態(tài)測量。壓電陶瓷的部分應(yīng)用利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性，可以制造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動，并將極其微弱的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成電信號。利用壓電陶瓷的這一特性，可應(yīng)用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等方面。

在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位，通電后發(fā)出超聲波，傳到人體碰到人體的組織后產(chǎn)生回波，然后把這回波接收下來，顯示在熒光屏上，醫(yī)生便能了解人體內(nèi)部狀況。圖5壓電元件連接方式(a)相同極性端粘結(jié)；(b)不同極性端粘結(jié)單片壓電元件產(chǎn)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(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結(jié)在一起。圖6壓電元件變形方式(a)厚度變形(TE)(b)長度變形(LE)

(c)體積變形(VE)

(d)面切變形(FS)

(e)剪切變形(TS)4.7.3壓電傳感器的等效電路和測量電路圖4-95 壓電元件的等效電路a）結(jié)構(gòu)圖 b）等效電荷源 c）等效電壓源

壓電元件受力作用時產(chǎn)生電荷，它相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器，可將壓電元件看作為一個電容器，見圖4-95a，其電容量為：圖4-96電荷源等效電路a）等效電路 b）簡化等效電路

圖4-97 電壓源等效電路a）等效電路 b）簡化等效電路

圖4-98 壓電傳感器的頻率響應(yīng)曲線a）直流或靜態(tài)被測量 b）低頻被測量 c）高頻被測量

由此可見，壓電傳感器不能測量直流或靜態(tài)的物理量，只能測量具有一定頻率的物理量，這說明壓電傳感器的低頻響應(yīng)較差，而高頻響應(yīng)相當(dāng)好，適用于測量高頻物理量。測量電路壓電元件的內(nèi)阻很高，輸出信號能量微弱，為提高測量精度，必須設(shè)置前置放大器。前置放大器的作用是阻抗變換和信號放大。根據(jù)等效電路，前置放大器有電壓放大器和電荷放大器兩種。圖4-99壓電元件與電壓放大器連接等效電路圖4-100電荷放大器等效電路壓電式傳感器的測量電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，其測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。

1)電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器電路原理及其等效電路圖（a）放大器電路;（b）等效電路

設(shè)壓電元件為壓電陶瓷，在交變力作用下，產(chǎn)生的電荷為：放大器輸入電壓為：放大器輸入電壓的幅值為：輸入電壓與作用力的相位差為：傳感器的電壓靈敏度為：若被測信號的頻率足夠高，即，則傳感器的靈敏度為：上式表明，由于電纜電容及放大器輸入電容的存在，使靈敏度減小。如果更換連接電纜，則必須重新校正靈敏度，以保證其測量精度。2)電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻。式中：uo——放大器輸出電壓；

ucf——反饋電容兩端電壓。若忽略壓電元件的絕緣電阻和放大器的輸入電阻，根據(jù)虛地原理應(yīng)將折合到放大器輸入端，得：輸出電壓為：只要開環(huán)放大倍數(shù)足夠高，滿足，則上式可簡化為：式中，“-”表示輸出信號與輸入信號反相。可見，輸出電壓正比于輸入電荷q，傳感器靈敏度與分布電容無關(guān)，因此連接電纜可長達(dá)數(shù)百米，甚至千米，靈敏度卻無明顯下降，顯示了電荷放大器的突出優(yōu)點。圖4-100電荷放大器等效電路4.7.4壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、高頻特性好、靈敏度和信躁比高等特點。因此被廣泛應(yīng)用于電子、通信、航空、運(yùn)輸、工農(nóng)業(yè)以及醫(yī)學(xué)等部門，用于測量力以及與力有關(guān)的物理量（例如壓力、物位、流量、應(yīng)力、速度、加速度、扭矩、振動、位移等）。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微型化、集成化和智能化等