第04章壓電式傳感器教學(xué)課件

壓電式傳感器是有源傳感器壓電式傳感器利用壓電材料的壓電效應(yīng)實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，將機械能轉(zhuǎn)變成電能。利用壓電材料可以制成力敏元件，用來測量力和能轉(zhuǎn)變成力的各種物理量。由于壓電效應(yīng)是可逆的，在壓電材料的一定方向施加電場，它就會產(chǎn)生變形，因此壓電傳感器是雙向傳感器。認識幾種壓電式傳感器（a）柱狀壓電陶瓷（b）管狀壓電陶瓷（c）矩形壓電陶瓷片（d）壓電陶瓷驅(qū)動器（e）壓電陶瓷超聲傳感器（f）壓電陶瓷超聲霧化片（i)電荷型加速度計(j)壓電式測力傳感器（k）電壓輸出型加速度計（g）壓電陶瓷蜂鳴片（h）壓電陶瓷大功率超聲換能器4.1壓電式傳感器的工作原理4.1.1壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：某些材料，當(dāng)沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時，其某些表面會產(chǎn)生電荷;當(dāng)外力去除后，又重新恢復(fù)為不帶電的狀態(tài)。逆壓電效應(yīng)：反過來,在這些材料的極化方向施加電場，它會產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”，或稱為“電致伸縮效應(yīng)”。常用壓電材料有三類：壓電晶體，壓電陶瓷和有機壓電材料。

4.1.2石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體結(jié)構(gòu)為正六面體，化學(xué)式為SiO2，單晶結(jié)構(gòu)。定義：x：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強。稱為電軸。y：垂直于平行柱面，在電場作用下變形最大，稱為機械軸。z：無壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。圖4-1石英晶體圖4-2石英晶體切片當(dāng)在電軸方向施加作用力Fx時,在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷,其大小為 Qx=d11Fx式中:d11——x方向受力的壓電系數(shù);圖4-3晶體切片的壓電效應(yīng)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Qy=d12Fya/b

式中:d12——y軸方向受力的壓電系數(shù),d12=-d11;a、b——晶體切片長度和厚度。圖4-3晶體切片的壓電效應(yīng)壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。圖4-3晶體切片的壓電效應(yīng)石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀原理圖4-4石英晶體的壓電效應(yīng)4.1.3

壓電常數(shù)和表面電荷的計算壓電元件受到力作用時，在其相應(yīng)表面上產(chǎn)生表面電荷，計算公式如下：式中Qij—j方向受力時在i方向上電荷積累的表面密度(即沿i方向的極化強度)；

σj—沿方向j施加外力時，單位面積上感受的應(yīng)力；

dij—壓電常數(shù)（j方向受應(yīng)力，在i方向產(chǎn)生電荷時的壓電常數(shù)）。圖4-4剪切力的作用方向壓電常數(shù)有兩個下腳注:其中第一個腳注i表示晶體的極化方向，即產(chǎn)生電荷的表面垂直于x軸（y軸或z軸),記作i=1（或2或3）。第二個下腳注j=1或2、3、4、5、6，分別表示在沿x軸、y軸、z軸方向作用的正應(yīng)力和在垂直于x軸、y軸、z軸的平面內(nèi)作用的剪切力。結(jié)論：（1）當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時，產(chǎn)生的電荷只與作用力成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。（2）沿機械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的。（3）石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。（4）晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)。（5）無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間皆呈線性關(guān)系。4.2壓電材料及壓電元件結(jié)構(gòu)形式壓電材料應(yīng)具備以下幾個主要特性：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。②機械性能。機械強度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。④環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。

常用壓電材料

⑴壓電晶體（單晶體）：石英；鈮酸鋰等。⑵壓電陶瓷（多晶體）：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛系列（PZ系列）等。⑶壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料（含壓電薄膜）等。石英是具有良好壓電效應(yīng)的一種壓電晶體。在20～200℃范圍內(nèi)壓電常數(shù)的溫度變化率約是-0.016%/℃，在溫度較低時，壓電常數(shù)的變化很小。居里點：573℃

石英晶體的相對介電常數(shù)較小，溫度穩(wěn)定性很好。機械強度很高，性能穩(wěn)定，沒有熱釋電效應(yīng)（由于溫度變化導(dǎo)致電荷釋放），絕緣性能相當(dāng)好。4.2.1石英壓電晶體4.2.2壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細微的單晶組成。原始壓電陶瓷須經(jīng)強電場極化處理后才具有壓電特性。

圖4-5壓電陶瓷的極化自由電荷自由電荷電極束縛電荷圖4-7壓電陶瓷的壓電效應(yīng)圖4-6壓電陶瓷吸附自由電荷4.2.3壓電元件的結(jié)構(gòu)形式電路并聯(lián)電路串聯(lián)壓電片組合后，總電容量C’，U’，Q’與單片的C，U，Q的關(guān)系圖4-8壓電元件結(jié)構(gòu)4.3.1壓電元件的等效電路 壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件。當(dāng)它受到外力作用時，就會在垂直于電軸或垂直于極化方向的表面上產(chǎn)生電荷，在一個表面上聚集正電荷，在另一個表面上聚集等量的負電荷。因此，可以把壓電式傳感器看作一個靜電電容器。4.3壓電式傳感器的等效電路圖4-9等效電路電容器上的電壓Ua（開路電壓）、電荷Q與電容Ca之間存在著以下關(guān)系：等效電路

1）電荷源

2)電壓源

圖4-10壓電式傳感器的等效電路4.3.2壓電傳感器的等效電路1）測量系統(tǒng)框圖圖4-11測量系統(tǒng)框圖2）等效電路圖4-12放大器輸入端等效電路3）壓電傳感器的靈敏度壓電式傳感器的靈敏度有兩種表示方式，它可以表示為單位力的電壓或單位力的電荷。前者稱為電壓靈敏度Ku=du/dF，后者稱為電荷靈敏度Kq=dq/dF，它們可以通過壓電元件（或傳感器）的電容Ca聯(lián)系起來，即4.4測量電路

引言由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，通常先把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器：電壓放大器或電荷放大器，對傳感器輸出的電壓或電荷信號進行放大處理，并實現(xiàn)阻抗變換，將傳感器的高輸出阻抗變?yōu)榉糯笃鞯牡洼敵鲎杩?，再用一般的放大檢波電路輸入到指示儀表或記錄器。前置放大器的作用：放大信號、阻抗變換4.4.1電壓放大器（阻抗變換器）圖4-13壓電傳感器接放大器的等效電路R=Ra//RiC=Cc+Ci若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，則其電壓為

放大器輸入端電壓Ui(4.4.1)(4.4.2)輸入電壓和作用力之間相位差為Ui的幅值Uim為(4.4.3)(4.4.4)在理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即電荷沒有泄露,則ω(Ca+Cc+Ci)R>>1，那么由式（4.4.3）可知，理想情況下輸入電壓幅值Uam為

(4.4.5)它與輸入電壓Uim之幅值比為(4.4.6)令τ為測量回路的時間常數(shù)即有：(4.4.7)(4.4.8)(4.4.9)由此得到電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線。

當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力（ω=0）時，則前置放大器的輸入電壓等于零。當(dāng)ωτ>>1時，即作用力的變化頻率與測量回路的時間常數(shù)的乘積遠大于1時，前置放大器的輸入電壓Uim隨頻率的變化不大。當(dāng)ωτ>>3時，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。在測量回路的時間常數(shù)一定的情況下，壓電式傳感器的高頻響應(yīng)是相當(dāng)好的，是壓電式傳感器的一個突出優(yōu)點。

圖4-14電壓幅值比和相角與頻率關(guān)系說明：不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)，

切實可行的辦法：提高測量回路的電阻。

壓電傳感器與前置電壓放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測量誤差。傳感器的電壓靈敏度

4.4.2電荷放大器圖4-15傳感器接電荷放大器等效電路圖4-16電荷放大器等效電路Uo——放大器輸出電壓；Ucf——反饋電容兩端電壓。

放大器的輸出電壓當(dāng)：由“虛地”原理可知，反饋電容Cf折合到放大器輸入端的有效電容Cf′為

電荷放大器的輸出電壓Uo只取決于輸入電荷與反饋電容Cf，與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比。電壓放大器和電荷放大器比較：電壓放大器輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)成正比；電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器電路復(fù)雜，價格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時宜綜合考慮。4.5壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的特點：能量轉(zhuǎn)換型（發(fā)電型）傳感器；體積小，重量輕，剛性好，可以提高其固有頻率，得到較寬的工作頻率范圍；靈敏度高，穩(wěn)定性好，可靠；有比較理想的線性，且通常沒有滯后現(xiàn)象；低頻特性較差，主要用于動態(tài)測量；應(yīng)用中要求采取嚴格的絕緣措施，并采用低電容、低噪聲電纜；工作原理可逆。壓電式傳感器主要應(yīng)用類型

表中列給出了壓電傳感器的主要應(yīng)用類型。目前它們已經(jīng)在工業(yè)、民用和軍事方面得到廣泛應(yīng)用,但其中用得最多的還是力敏類型。1、壓電式壓力傳感器圖4-17單向壓電式測力傳感器圖4-18膜片式壓力傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片p如圖4-17示的是YDS-78型壓電式單向力傳感器的結(jié)構(gòu)，它主要用于頻率變化不太高的動態(tài)力的測量。2、壓電式加速度傳感器圖4-19壓縮式壓電加速度傳感器

壓電元件—質(zhì)量塊—彈簧系統(tǒng)裝在圓形中心支柱上，支柱與基座連接，基座與測試對象連接。圖4-20壓電陶瓷換能器結(jié)構(gòu)圖3、壓電式聲傳感器當(dāng)交變信號加在壓電陶瓷片兩端面時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，陶瓷片會在電極方向產(chǎn)生周期性的伸長和縮短。

當(dāng)一定頻率的聲頻信號加在換能器上時，換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形，由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)，壓電陶瓷上將出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，即將聲頻信號轉(zhuǎn)換成了交變電信號。這時的聲傳感器就是聲頻信號接收器。

如果換能器中壓電陶瓷的振蕩頻率在超聲波范圍，則其發(fā)射或接收的聲頻信號即為超聲波，這樣的換能器稱為壓電超聲換能器。

4、壓電式流量計圖4-21壓電式流量計流量顯示輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電超聲換能器每隔一段時間(如1/100s)發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。5、壓電式傳感器在測漏中的應(yīng)用ABO點LALB地面L如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水，水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播，在管道上A、B兩點放兩只壓電傳感器，由從兩個傳感器接收到的由O點傳來的t0時刻發(fā)出的振動信號所用時間差可計算出LA或LB。圖4-22壓電式傳感器應(yīng)用兩者時間差為Δt=tA-tB=（LA-LB

）/v又L=LA+LB，所以

6、壓電聲傳感器在超聲速測量實驗中的應(yīng)用圖4-23超聲速測量實驗裝置信號發(fā)生器S1示波器頻率計S2l游標卡尺當(dāng)信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦交流信號加在壓電陶瓷片兩端面時，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機械振動，在空氣中激發(fā)出聲波。所以，換能器S1是聲頻信號發(fā)生器。當(dāng)S發(fā)出的聲波信號經(jīng)過空氣傳播到達換能器S2時，空氣振動產(chǎn)生的壓力作用在S2的壓電陶瓷片上使之出現(xiàn)充、放電現(xiàn)象，在示波器上就能檢測出該交變信號。所以，換能器S2是聲頻信號接收器。由于壓電陶瓷元件的自振動頻率高，特別適合測量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進行切削加工時，切削力通過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，記錄下電信號的變化可測得切削力的變化。

7、壓電式金屬加工切削力測量傳感器振動板的功用是接收雨滴沖擊的能量，壓電元件把從振動板傳遞來的變形傳換成電壓。當(dāng)壓電元件上出現(xiàn)機械變形時，在兩側(cè)的電極上就會產(chǎn)生電壓，所以，當(dāng)雨滴落到振動板上時，壓電元件產(chǎn)生電壓大小與加到振動板上的雨滴能量成正比，一般為5mV至300mV。放大電路將壓電元件上產(chǎn)生的電壓信號放大后再輸入到刮水器的放大器中，驅(qū)動刮水器工作。8、雨滴傳感器電子血壓計通過在捆扎布內(nèi)部安裝的傳感元件，把血液流過血管中產(chǎn)生的音變換成電信號。血液的流動與捆扎布的氣壓有關(guān)。輸出電壓隨著血液流動的變化而變化，從該值可知道血壓值，也可以測量脈搏數(shù)，圖（a）表示它的構(gòu)造，（b）表示其檢測波形。

9、血壓計傳感器把壓電元件特殊的阻尼材料夾住，存放在一個外殼中。由于壓電元件的衰減時間快，固有共振頻率低，因此能夠得到清楚而柔和的回音，右圖是元件的頻率特性。傳感器安裝在吉他的軀體部位是，由于能夠檢測到弦振動引起的軀體的共振，經(jīng)放大從揚聲器中傳播出演奏。

10、樂器傳感元件4.6引起壓電式傳感器測量誤差的因素4.6.1環(huán)境溫度的影響主要表現(xiàn)在：1溫度引起傳感器靈敏度變化

2溫度引起傳感器零點漂移★石英晶體

石英晶體對溫度并不敏感，在常溫范圍甚至溫度高至200℃，石英的壓電常數(shù)和介電常數(shù)幾乎不變，在200℃～400℃范圍內(nèi)變化也不大。

為了提高壓電陶瓷的溫度穩(wěn)定性和長時間溫度穩(wěn)定性，一般應(yīng)進行人工老化處理。人工老化處理的方法是，將壓電陶瓷置于溫度箱內(nèi)反復(fù)加溫和降溫，連續(xù)做一個星期，加溫和降溫的周期為二小時?！飰弘娞沾扇斯O化的壓電陶瓷受溫度的影響比石英要大得多，壓電常數(shù)和介電常數(shù)隨溫度變化的趨勢大體上如圖4-24所示。壓電陶瓷經(jīng)人工老化后處理后，雖然在正常使用穩(wěn)定環(huán)境中性能比較穩(wěn)定，但在高溫環(huán)境中使用時，壓電常數(shù)和介電常數(shù)仍會發(fā)生變化。普通的壓電式傳感器的工作溫度總是有限的，這主要是受壓電材料、電子線路元件和電纜耐溫限制。壓電材料的體電阻率是隨著溫度的增加按指數(shù)規(guī)律減小的。

傳感器的連接電纜也是一個至關(guān)重要的部件。普通電纜是不能耐700℃以上高溫的。目前，在傳感器中大多采用無機絕緣電纜和含有無機絕緣材料的柔性電纜。

4.6.2環(huán)境濕度的影響如果傳感器長期在高濕環(huán)境下工作，傳感器的絕緣電阻（泄漏電阻）將會減小，以致使傳感器的低頻響應(yīng)變壞。要選用絕緣性能良好的絕緣材料，如聚氯乙烯、聚苯乙烯、陶瓷等。零件表面的光潔度要高。

對一些長期在潮濕環(huán)境或水下工作的傳感器，應(yīng)采取防潮密封措施，在容易漏氣或進水的輸出引線接頭處用特殊材料加以密封。4.6.3電纜噪聲壓電式傳感器的信號電纜一般采用小型同軸導(dǎo)線，這種電纜很柔軟，具有良好的撓性。電纜噪聲完全是由電纜自身產(chǎn)生的。普通的同軸電纜是由聚乙烯或聚四氟乙烯作絕緣保護層的多股絞線組成。為了減少這種噪聲，可選用特制的低噪聲電纜。在測量過程中應(yīng)將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對運動。

4.6.4橫向靈敏度（1）壓電材料性能的不均勻、壓電片表面粗糙或兩個表面不平行、壓電片表面有雜質(zhì)或接觸不良；（2）晶體片切割或極化方向有偏差；（3）傳感器基座上下兩端互相不平行；（4）基座平面與主軸方