《傳感器與檢測(cè)技術(shù)(第2版)》胡向東第6章

《傳感器與檢測(cè)技術(shù)(第2版)》胡向東第6章第一頁(yè)，共25頁(yè)。6.1工作原理6.2壓電式傳感器測(cè)量電路6.3壓電式傳感器的應(yīng)用第二頁(yè)，共25頁(yè)。知識(shí)單元與知識(shí)點(diǎn)壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)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(cè)量電路；壓電元件的連接特性；壓電式傳感器的應(yīng)用。能力點(diǎn)深入理解壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)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(cè)量電路；了解壓電材料的分類及其特性；會(huì)分析壓電元件的連接特性；了解壓電式傳感器的應(yīng)用。重難點(diǎn)重點(diǎn)：壓電式傳感器的工作原理、測(cè)量電路。難點(diǎn)：壓電式傳感器的測(cè)量電路。學(xué)習(xí)要求掌握壓電效應(yīng)、正壓電效應(yīng)、逆壓電效應(yīng)的含義；掌握石英晶體具有壓電效應(yīng)特性的分子結(jié)構(gòu)特性、壓電陶瓷的壓電特性機(jī)理；了解壓電材料的主要特性參數(shù)及其含義、壓電材料的選取；掌握壓電式傳感器的等效電路與測(cè)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(yīng)用。第三頁(yè)，共25頁(yè)。（正）壓電效應(yīng)：是對(duì)某些電介質(zhì)沿一定方向施以外力使其變形時(shí)，其內(nèi)部將產(chǎn)生極化而使其表面出現(xiàn)電荷集聚的現(xiàn)象。在外力去除后又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。逆壓電效?yīng)（電致伸縮）：當(dāng)在片狀壓電材料的兩個(gè)電極面上加交流電壓，將導(dǎo)致壓電片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)（在電極方向上產(chǎn)生伸縮變形）可見：壓電效應(yīng)具有可逆性特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕；工作頻帶寬；靈敏度高；信噪比高；工作可靠；測(cè)量范圍廣等。用途：主要用于與力相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試，如動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等，它可以把加速度、壓力、位移、溫度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。第四頁(yè)，共25頁(yè)。X軸向受力：Y軸向受力：Z軸向受力：無石英晶體（單晶體）第五頁(yè)，共25頁(yè)。第六頁(yè)，共25頁(yè)。第七頁(yè)，共25頁(yè)。第八頁(yè)，共25頁(yè)。第九頁(yè)，共25頁(yè)。

壓電機(jī)理：壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)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(chǎng)。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)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(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)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(shí)的材料才具有壓電特性。第十頁(yè)，共25頁(yè)。

具有剩余極化的壓電陶瓷材料受到外力作用時(shí)，將在垂直于極化方向的平面上出現(xiàn)電荷集聚的變化，產(chǎn)生由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿恼龎弘娦?yīng)。集聚的電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：式中：

d33——

壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。

壓電陶瓷的壓電系數(shù)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。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。

第十一頁(yè)，共25頁(yè)。目前已發(fā)現(xiàn)的壓電系數(shù)最高、且已進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的壓電高分子材料是聚偏氟乙烯，其壓電效應(yīng)可采用類似鐵電體的機(jī)理來解釋。這種聚合物中碳原子的個(gè)數(shù)為奇數(shù)，經(jīng)過機(jī)械滾壓和拉伸制作成薄膜之后，帶負(fù)電的氟離子和帶正電的氫離子分別排列在薄膜的對(duì)應(yīng)上下兩邊上，形成微晶偶極矩結(jié)構(gòu)，經(jīng)過一定時(shí)間的外電場(chǎng)和溫度聯(lián)合作用后，晶體內(nèi)部的偶極矩進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)定向，形成垂直于薄膜平面的碳－氟偶極矩固定結(jié)構(gòu)。正是由于這種固定取向后的極化和外力作用時(shí)的剩余極化的變化，引起了壓電效應(yīng)。第十二頁(yè)，共25頁(yè)。壓電系數(shù)：衡量壓電效應(yīng)強(qiáng)弱（靈敏度）彈性系數(shù)：決定固有角頻率（動(dòng)態(tài)特性）介電常數(shù)：影響固有電容（頻率下限）機(jī)電耦合系數(shù)：用于衡量能量轉(zhuǎn)換效率電阻：減少電荷泄漏（改善壓電式傳感器的低頻特性）居里點(diǎn)：開始失去壓電特性的溫度第十三頁(yè)，共25頁(yè)。選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)、制作高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮：轉(zhuǎn)換性能：高耦合系數(shù)、大壓電系數(shù)機(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)度高電性能：高電阻率、大介電常數(shù)，減弱外部分布電容的影響溫度、濕度穩(wěn)定性好：寬的溫濕度工作范圍時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間褪化第十四頁(yè)，共25頁(yè)。石英是較好的單晶體類壓電材料，除了壓電系數(shù)不大外，其他特性都具有顯著優(yōu)越性：居里點(diǎn)573℃，壓電系數(shù)的溫度系數(shù)小，彈性系數(shù)較大，機(jī)械強(qiáng)度高。主要用于測(cè)量大量值的力或加速度或作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器使用鈦酸鋇（BaTiO3）：較好的多晶體陶瓷類壓電材料，突出的特點(diǎn)：壓電系數(shù)比石英大幾十倍，但居里點(diǎn)溫度在120℃左右，使用溫度不超過70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。較其他壓電陶瓷更容易極化。目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT）系列，它是鈦酸鉛（PbTiO2）和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的（Pb（ZrTi）O3）。居里點(diǎn)在300℃左右，工作溫度較高，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。但較難極化。第十五頁(yè)，共25頁(yè)。第十六頁(yè)，共25頁(yè)。壓電式傳感器本身的內(nèi)阻抗很高（1010歐以上），輸出能量小，常在測(cè)量電路中加一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，作用：（1）把高輸入阻抗轉(zhuǎn)換為低輸出阻抗（小于100歐）；（2）對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。第十七頁(yè)，共25頁(yè)。結(jié)論：(1)放大器輸入阻抗極高，輸入端幾乎沒有分流，電荷只對(duì)反饋電容充電，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(guān)，與電荷量成正比，電荷量與被測(cè)壓力成線性關(guān)系，因此，輸出電壓與被測(cè)壓力成線性關(guān)系。第十八頁(yè)，共25頁(yè)。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：即理想情況下，前置放大器輸入電壓與頻率無關(guān)。第十九頁(yè)，共25頁(yè)。為了擴(kuò)展頻帶的低頻段，要提高回路的時(shí)間常數(shù)R（Ca+Cc+Ci)，如果只增加電容量，會(huì)降低靈敏度S，故常采用Ri很大的前置放大器。可見，w/w1＞3時(shí)，Uim與w無關(guān)，即傳感器的高頻特性好。但w=0時(shí)，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(cè)靜態(tài)力。（交變力可以使電荷不斷得到補(bǔ)充以供給測(cè)量電路）第二十頁(yè)，共25頁(yè)。壓電元件的連接第二十一頁(yè)，共25頁(yè)。

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(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)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(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。圖a）從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)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(shí)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(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓