第六章壓電傳感器

壓電振動傳感器壓電材料壓電效應、逆壓電效應壓電傳感器的特性壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)第六章壓電傳感器測試、檢測技術壓電效應、逆壓電效應壓電效應：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而產(chǎn)生變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面產(chǎn)生電荷，當外力去除后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，此種現(xiàn)象稱為壓電效應。力變形（極化現(xiàn)象）電場（表面電荷）逆壓電效應：在某些電介質(zhì)的極化方向上施加電場或電壓，它會產(chǎn)生機械變形，當去除外加電場時，電介質(zhì)變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。電場（極化方向上）變形關鍵：受到外力產(chǎn)生變形后，其正負電荷的中心是否重合。簡化的晶體晶格模型壓電效應原理壓電效應、逆壓電效應不同方向上的壓電效應壓電效應、逆壓電效應注意:產(chǎn)生的是電荷壓電體可視為：電荷發(fā)生器、電容器。壓電效應與逆壓電效應都是線性的。壓電效應、逆壓電效應d為材料的壓電常數(shù)QCR壓電材料壓電材料：壓電單晶（石英）壓電陶瓷高分子壓電材料石英石英晶片晶體切片壓電材料石英是壓電單晶中的代表，有天然石英和人造石英。優(yōu)點：它具有很好的機械強度，很好的時間和溫度穩(wěn)定性。缺點：壓電常數(shù)小，是一般單晶的1/3左右，是其它多晶的幾百分之一，因此限制了它的更廣泛應用。石英晶體最大的用途是做振蕩器，用在各種時鐘里。全世界每年估計要生產(chǎn)出20億只以上的晶振。石英的特性壓電材料壓電材料壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻很低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛(PZT)及非鉛系壓電陶瓷(如BaTiO3等)。壓電陶瓷壓電材料注意：壓電陶瓷需要進行極化處理Poling：極化壓電材料壓電陶瓷是制作調(diào)節(jié)器(Actuator)最常用的材料。一般輸出力很大，而變形很小，可以達到nm級；動態(tài)特性很好，能得到微秒級響應。壓電陶瓷用作位置調(diào)節(jié)器壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯(PVDF或PVF2)聚氟乙烯改性聚氯乙烯(PVC)等。這是一類柔軟的壓電材料，可以根據(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，制成大面積的元件，價格便宜。工作溫度一般低于1000C，機械強度低，易老化。高分子壓電材料壓電材料PVDF可以做成透明的傳感器壓電材料壓電薄膜制成的喇叭壓電材料的應用玻璃破碎傳感器將厚度約為0.2mm的PVDF薄膜制成10X20mm大小。在它正反兩面?zhèn)€噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。使用時，用膠水把其粘貼在玻璃上。當玻璃破碎時會產(chǎn)生劇烈振動，使薄膜產(chǎn)生電荷，利用其可進行報警。質(zhì)量塊壓電材料的應用交通檢測將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車輛信息壓電材料的應用壓電縱跳訓練分析壓電材料的應用壓電體可以產(chǎn)生很高的電壓開路電壓(kV)2520151050應力(106Pa)01020304050PolingaxisOpencircuitVoltage20mmFFQ=kFU=Q/C壓電材料的應用高壓打火壓電體壓電材料的應用原子力顯微鏡中的應用用作微小位移調(diào)節(jié)探針high-voltage

amplifier壓電材料的應用原子力顯微鏡在原子力顯微鏡（AFM）的系統(tǒng)中，使用微小懸臂（cantilever）來感測針尖與樣品之間的相互作用，這作用力會使微懸臂擺動，再利用激光將光照射在懸臂的末端，當擺動形成時，會使反射光的位置改變而造成偏移量，此時激光檢測器會記錄此偏移量，也會把此時的信號給反饋系統(tǒng)，以利于系統(tǒng)做適當?shù)恼{(diào)整，最后再將樣品的表面特性以影像的方式給呈現(xiàn)出來。一般采用壓電陶瓷材料的逆壓電效應進行微小位移調(diào)節(jié)當在壓電陶瓷對稱的兩個端面加上電壓時，壓電陶瓷會按特定的方向伸長或縮短。而伸長或縮短的尺寸與所加的電壓的大小成線性關系。壓電材料的應用壓電傳感器的特性1.壓電傳感器不能用于靜態(tài)量測量假設施加在晶片上的外力不變，從理論上來說，在外力作用期間，電荷量應該始終保持不變。

但由于在測量時，積聚在極板上的電荷有內(nèi)部泄漏，并且外電路負載不能達到無窮大，那么產(chǎn)生的電荷量會慢慢的減少。

（因此不適于做靜態(tài)量測量。）

F(力)V(電壓)壓電傳感器對方波的響應壓電傳感器的特性壓電傳感器不能測量靜態(tài)量，其低頻響應不好，所測信號的頻率下限可以很低，但就是不能為零。壓電傳感器的特性2.壓電傳感器的輸出信號非常微弱需要將電信號放大后才能檢測出來。壓電傳感器的特性壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)

兩種放大方式：

1、普通的電壓放大

2、電荷放大而電荷放大器具有更多的優(yōu)點，因此得到了更為廣泛的應用。壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)電壓放大器傳感器與電壓前置放大器連接的等效電路

電壓放大器簡化電路QCRCCR-KUUiii0caaQCR-KUi0U壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)電壓放大器QCR-kUi0Ui壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)我們來看看它的傳遞函數(shù)是如何的？H(S)相當于一個一階高通濾波器，因此只能傳遞高頻信號。L氏變換壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)并且，在頻率較高時，與壓電體的電容、電纜的對地電容、放大器的引入電容相關。表明輸出易受電纜對地電容的影響。電壓放大器：只能傳遞高頻信號；輸出易受電纜對地電容的影響。壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)

電荷放大器(一般情況)uoQC-kCfui等效電路壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)選用高增益的運放：電荷放大器的輸出電壓只與反饋電容的大小、壓電體產(chǎn)生的電荷量有關，而與壓電體的電容、電纜的對地電容等無關。壓電傳感器的信號調(diào)節(jié)壓電振動傳感器壓電振動傳感器壓電振動傳感器在使用時的注意事項：1.頻率范圍（即采樣頻率范圍）

測試時，要滿足采樣定理壓電振動傳感器壓電式傳感器的頻率響應(1)、頻率下限

壓電傳感器的低頻響應不好。主要是受到泄漏電阻（傳感器本身與放大器輸入電阻）的影響。傳感器的低頻響應可以很低，但就是不能為零(DC)；(2)、頻率上限壓電傳感器的頻率上限由傳感器本身的固有頻率限制，一般應為固有頻率的三分之一以下。頻率響應曲線壓電式加速度計的典型頻率響應曲線。特點：直流響應為0，然后有一平坦區(qū)間，接著有一諧振峰，然后快速下降?？捎脜^(qū)間頻率/Hz1001010.1輸出電壓V諧振峰TypicalFrequencyResponseCurve某一壓電式加速度計的頻率響應。特點：直流響應為0，然后有一平坦區(qū)間，接著有一諧振峰，然后快速下降。DCHPfilterwithLPfilterUsableRangelowfrequencylimitdetermjnedbyRCroll-offcharacteristics1<5%<5%fnfHPf