壓電式傳感器原理及應(yīng)用

5.3壓電式傳感器5.3.1壓電式傳感器的工作原理5.3.2等效電路及信號(hào)變換電路5.3.3壓電式加速度傳感器5.3.4壓電式測(cè)力傳感器下一頁返回當(dāng)前第1頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)5.3.1壓電式傳感器的工作原理電勢(shì)型傳感器

以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ) 壓電效應(yīng)可逆“雙向傳感器”正壓電效應(yīng)某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng)。

(加力變形產(chǎn)生電荷)上一頁下一頁返回當(dāng)前第2頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)逆壓電效應(yīng)

在壓電材料的兩個(gè)電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應(yīng)”，也叫做“逆壓電效應(yīng)”。(施加電場(chǎng)電介質(zhì)產(chǎn)生變形應(yīng)力

)

常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。

當(dāng)前第3頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)1.石英晶體的壓電效應(yīng)X軸：電軸或1軸；Y軸：機(jī)械軸或2軸；Z軸：光軸或3軸?！翱v向壓電效應(yīng)”：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)”：沿機(jī)械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸（Z軸）方向時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。上一頁下一頁返回當(dāng)前第4頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)晶體切片當(dāng)沿電軸方向加作用力Fx時(shí)，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷

d11——壓電系數(shù)（C/N）作用力是沿著機(jī)械軸方向電荷仍在與X軸垂直的平面上一頁下一頁返回此時(shí)，當(dāng)前第5頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系圖（a）是在X軸方向受壓力，圖（b）是在X軸方向受拉力，圖（c）是在Y軸方向受壓力，圖（d）是在Y軸方向受拉力。上一頁下一頁返回當(dāng)前第6頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)石英晶體的壓電效應(yīng)（a）正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。（b）在X軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。（c）沿Y軸方向壓縮，在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負(fù)電荷上一頁下一頁返回當(dāng)前第7頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)石英晶體一種天然晶體，壓電系數(shù)d11＝2.31×10－12C/N；莫氏硬度為7、熔點(diǎn)為1750℃、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動(dòng)態(tài)特性好、工作溫度高達(dá)550℃（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達(dá)100%、穩(wěn)定性好。上一頁下一頁返回當(dāng)前第8頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)2.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)人工制造的多晶體，壓電機(jī)理與壓電晶體不同。壓電陶瓷的極化上一頁下一頁返回當(dāng)前第9頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)陶瓷片極化壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符合相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用，因此陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性。上一頁下一頁返回當(dāng)前第10頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)壓電陶瓷片上加上一個(gè)與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來吸附在極板上的自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。 當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系

上一頁下一頁返回當(dāng)前第11頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)Q——

電荷量；d33——

壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——

作用力。

當(dāng)前第12頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)常見壓電陶瓷：（1）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛Pb（Zr·Ti）O3系壓電陶瓷（PZT） 壓電系數(shù)較高，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以獲得不同性能的PZT材料。（3）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN） 具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。上一頁下一頁返回當(dāng)前第13頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)5.3.2等效電路及信號(hào)變換電路1.壓電元件的等效電路2.壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路上一頁下一頁返回當(dāng)前第14頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)1.壓電元件的等效電路上一頁下一頁返回當(dāng)前第15頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)壓電式傳感器的等效電路(a)等效為一個(gè)電荷源Q與一個(gè)電容Ca并聯(lián)的電路(b)等效成一個(gè)電源U=Q/Ca

和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路上一頁下一頁返回當(dāng)前第16頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)兩個(gè)壓電片的聯(lián)結(jié)方式（a）“并聯(lián)”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方，（b）“串聯(lián)”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方。上一頁下一頁返回當(dāng)前第17頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)2.壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路

壓電式傳感器要求負(fù)載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。 因此常先接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。

測(cè)量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。前置放大器兩個(gè)作用:把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。上一頁下一頁返回當(dāng)前第18頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容Ra：傳感器的漏電阻Cc：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容上一頁下一頁返回當(dāng)前第19頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)前置放大器輸入電壓壓電元件的力F=Fmsinωt壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為Q=d11·F。輸入電壓的幅值當(dāng)作用力是靜態(tài)力（ω=0）時(shí)，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量。壓電式傳感器突出優(yōu)點(diǎn)：高頻響應(yīng)相當(dāng)好。上一頁下一頁返回當(dāng)前第20頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)傳感器的低頻響應(yīng)范圍如果被測(cè)物理量是緩慢變化的動(dòng)態(tài)量，而測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù)。但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度與電容成反比的，切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測(cè)量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。上一頁下一頁返回當(dāng)前第21頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)電壓放大器應(yīng)用限制壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡(jiǎn)單，元件少，價(jià)格便宜，工作可靠，但是電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場(chǎng)合的應(yīng)用。上一頁下一頁返回當(dāng)前第22頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)解決電纜問題的辦法將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。上一頁下一頁返回壓電式加速度傳感器當(dāng)前第23頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個(gè)超小型靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于零就避免了長(zhǎng)電纜對(duì)傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號(hào)，這樣彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷。

當(dāng)前第24頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)（2）電荷放大器

壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。 能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)1010~1012Ω，輸出阻抗小于100Ω。 使用電荷放大器突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無關(guān)。上一頁下一頁返回當(dāng)前第25頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路K是放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。上一頁下一頁返回當(dāng)前第26頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)充電電壓接近等于放大器的輸出電壓幾點(diǎn)結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系，2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成線形關(guān)系的輸出電壓。3、反饋電容Cf小，輸出就大，4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙荨?、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件：（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）上一頁下一頁返回當(dāng)前第27頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)5.3.3壓電式加速度傳感器壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返回當(dāng)前第28頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)測(cè)量原理

當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應(yīng)，兩個(gè)表面上就產(chǎn)生交變電荷，當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有頻率時(shí)，傳感器的輸出電荷（電壓）與作用力成正比，亦即與試件的加速度成正比。 輸出電量由傳感器輸出端引出，輸入到前置放大器后就可以用普通的測(cè)量?jī)x器測(cè)出試件的加速度，如在放大器中加進(jìn)適當(dāng)?shù)姆e分電路，就可以測(cè)出試件的振動(dòng)速度或位移。上一頁下一頁返回當(dāng)前第29頁\共有31頁\編于星期六\22點(diǎn)5.3.4壓電式測(cè)力傳感器

壓電元件是直接把力轉(zhuǎn)換為電荷的傳感器。變形方式：利用縱向壓電效應(yīng)的TE方