電氣與電子測量技術(shù)-壓電式傳感器

電氣與電子測量技術(shù)——壓電式傳感器第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二2壓電式傳感器壓電效應(yīng)壓電材料壓電傳感器等效電路壓電傳感器調(diào)理電路壓電式傳感器的應(yīng)用第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二3壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種有源的機電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二4壓電效應(yīng)

某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二5壓電材料

選用合適的壓電材料是設(shè)計高性能傳感器的關(guān)鍵。一般應(yīng)考慮以下幾個方面：①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；②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；③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點、以期望得到寬的工作溫度范圍；⑤時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二6壓電材料常用壓電材料可以分為三類：

壓電晶體（石英晶體SiO2

）壓電陶瓷（鈦酸鋇(BaTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈮鎂酸鉛（Pb[MgNb]O3

）高分子壓電材料（如聚二氟乙烯(PVF2)和聚氯乙烯(PVC)第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二7

石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)正六面體。與晶體的縱軸線方向一致的z軸稱為光軸；經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機械軸。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)”。石英晶體第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二8石英晶體(a)不受力時(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力石英晶體壓電模型第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二9石英晶體若從晶體上沿y方向切下一塊如圖所示的晶片，當沿電軸方向施加作用力Fx時，則在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為：d11——x方向受力的壓電系數(shù)。若在同一切片上，沿機械軸y方向施加作用力Fy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為d12——y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對稱性，有d12=-d11；a、b——晶體切片的長度和厚度。電荷qx和qy的符號由受壓力還是受拉力決定。第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二10壓電陶瓷壓電陶瓷在極化面上受到垂直于它的作用力時，則在兩個極化面上分別出現(xiàn)正負電荷。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)F——作用力壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。未經(jīng)過極化處理的陶瓷材料不具有壓電效應(yīng)，極化處理后陶瓷材料所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致，具有很高的壓電系數(shù)。第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二11等效電路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，即當有力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷(或電壓)輸出壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當于一個電荷源。壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：

式中s--極板面積εr--壓電材料相對介電常數(shù)

0--真空介電常數(shù)δ--壓電元件厚度第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二12等效電路當壓電元件受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正、負電荷Q，壓電元件的開路電壓(認為其負載電阻為無窮大)U為

這樣，可以把壓電元件等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯(lián)的等效電路；同時也等效為一個電荷源Q和一個電容器Ca并聯(lián)的等效電路。同時還需考慮壓電傳感器自身的泄漏電阻Ra。(a)電壓源模型(b)電荷源模型壓電元件的等效電路第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二13等效電路

當壓電傳感器接入測量儀器或測量電路后，必須需考慮連接電纜的寄生等效電容Cc，后續(xù)測量電路的輸入電容Ci以及后續(xù)電路(如放大器)的輸入電阻Ri。所以，實際壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的等效電路如圖所示。第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二14

【問題】根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述等效電路，分析壓電式傳感器是否適合靜態(tài)力的測量？

等效電路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)相當好，適用于測量高頻物理量。第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二壓電式壓力傳感器

調(diào)理電路第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二16壓電傳感器調(diào)理電路

壓電傳感器的特點：內(nèi)阻抗很高；輸出的信號非常微弱對調(diào)理電路(前置放大器)的要求：前級輸入端要防止電荷迅速泄漏，減小測量誤差。將壓電式傳感器的高輸出阻抗變換為低阻抗輸出，并將微弱的信號進行放大．

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。

第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二17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）等效電路第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二18電壓放大器（阻抗變換器）

高輸入阻抗的電壓放大器具有很高輸入阻抗，可以將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進行適當放大．因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器。存在的問題：

輸出電壓與電容C=Ca+Ci+Cc密切相關(guān)，雖然Ca和Ci都很小，但Cc會隨連接電纜的長度與形狀而變化，從而會給測量帶來不穩(wěn)定因素，影響傳感器的靈敏度。放大器的輸出電壓與連接傳感器與前置放大器的電纜長度有關(guān)。第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二19壓電傳感器調(diào)理電路電荷放大器由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換將引起重新標定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠距離測量的電荷放大器。電荷放大器由一個帶有反饋電容Cf的高增益運算放大器構(gòu)成.第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二20電荷放大器由于傳感器的漏電阻Ra和放大器的輸入電阻Ri很大，可以看作開路，而運算放大器輸入阻抗極高，在其輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯(lián)電阻，等效電路如圖所示。電荷放大器等效電路第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二21電荷放大器

如果忽略Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為：式中A為開環(huán)放大系數(shù)第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二22電荷放大器

所以放大器輸出電壓：可見，由于引入電容負反饋，電荷放大器的輸出電壓Uo僅取決于輸入電荷與反饋電容Cf，電纜電容Cc等其它因素的影響可以忽略不計，且與電荷Q成正比，這是電荷放大器的最大特點。當A>>1，而(1+A)>>Ci+Cc+Ca時，放大器輸出電壓可以表示為第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二23壓電傳感器調(diào)理電路

為了得到必要的測量精度，要求反饋電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性都很好。在實際電路中，考慮到不同的量程等因素，Cf的容量做成可選擇的，范圍一般為102pF~104pF。Cf越小，放大器靈敏度越高。電荷放大器的靈敏度為：第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二24壓電式壓力傳感器壓電式測壓力傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片p第24頁，共26頁，2023年，2月20日，星期二25下圖是一種壓