第五章壓電式傳感器

5.1壓電式傳感器5.2壓電式傳感器的基本原理5.3壓電材料5.4壓電材料的壓電效應5.5壓電元件的應用特點5.6壓電傳感器的應用第五章壓電式傳感器5.1壓電式傳感器一、又稱自發(fā)電式傳感器及電勢式傳感器是一種典型的有源傳感器。是一種能量轉換型傳感器。二、特點體積小，重量輕，固有頻率高，配上適當?shù)碾姾煞糯笃?，能?Hz~10KHz的范圍內工作；適合測量變化迅速的參數(shù)，適于動態(tài)測量；測量的力值范圍:上百噸——幾克。三、應用目前多用于加速度和動態(tài)力或壓力的測量。在超聲波、水聲換能器、拾音器、傳聲器、濾波器、煤氣點火等方面應用已很普遍。5.2壓電式傳感器的基本原理一、基本原理基于壓電效應。二、壓電效應（1）某些晶體在一定方向的外力作用下，幾何尺寸改變，晶體內部產生極化現(xiàn)象，表面形成電場。外力去除后，表面恢復到不帶電的狀態(tài)。機械能電能：正壓電效應力學壓電傳感器都是利用正壓電效應工作的。二、壓電效應（2）反之，若將該材料置于交變的電場中，在外電場的作用下，該材料本身產生機械變形。注：并不是所有壓電晶體都能在各種變形條件下產生壓電效應。電能機械能：逆壓電效應/電致伸縮效應5.3壓電材料一、選取的特性要求1）具有較大的壓電常數(shù)；2）具有較高的固有振動頻率；3）有較高的電阻率；4）壓電特性有較好的時間穩(wěn)定性；5）有較高居里點。居里點：在壓電性能破壞時的溫度轉折點。二、常見的壓電材料（壓電晶體、壓電陶瓷、有機壓電材料）1、石英晶體有天然和人工制造兩種。石英晶體是最早應用的壓電材料,至今石英仍是最重要的也是用量最大的振蕩器、諧振器和窄帶濾波器等元件的壓電材料。特性：a、有理想的線性，轉換效率高，一般無滯后現(xiàn)象，固有頻率高；b、穩(wěn)定性好，時間老化率低，有較高的絕緣阻抗；c、居里點高（573℃），靈敏度變化小，在幾百攝氏度以內，壓電系數(shù)不隨溫度變化；但石英晶體的靈敏度低。2、水溶性壓電晶體這一類包括酒石酸鉀鈉、硫酸鋰、磷酸二氫鉀等。特性：有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)；易于受潮，且機械強度較低。適用于室溫和濕度較低的環(huán)境下。3、鈮酸鋰晶體是一種透明單晶，熔點為1250℃，居里點為1210℃。特性：有良好的壓電性能和時間穩(wěn)定性。適用于耐高溫的傳感器。4、壓電陶瓷（人工制作的多晶體，應用普遍。）特點：燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成型等。按材料組成成分不同可分為以下幾種：a、鈦酸鋇壓電陶瓷：較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，居里點較低（120℃），機械強度不如石英。b、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷：較高的壓電系數(shù)和居里點（300℃以上）。c、鈮酸鹽系壓電陶瓷：鈮酸鉛居里點高，介電常數(shù)低；鈮酸鉀居里點435℃，用于水聲傳感器。d、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷：一種由三元素組成的新型陶瓷。壓電系數(shù)和居里點較高，可在較高壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。5、壓電半導體具有半導體特性和壓電性能?？捎屑D換元件和電子線路為一體的新型傳感器。6、高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜延伸拉展和電極化后，就有一定壓電性能。特點：柔軟，不易破碎，可大量生產，制成較大面積。若壓電陶瓷粉末加入高分子化合物，可制成高分子-壓電陶瓷薄膜，具有雙重特性的新壓電材料。5.4壓電材料的壓電效應一、石英晶體的壓電效應1、結構zxyo石英晶體即SiO2無水化合物。通常以直角坐標來表征其方向性。其中：x軸-電軸；y軸-機械軸/中性軸；z軸-光軸，晶體的對稱軸。2、石英晶體的三種壓電效應1）縱向壓電效應(x軸方向受力，垂直于x軸的平面上產生電荷，電荷與晶片尺寸無關。)twFxzyxl關系式：xFdQ11=

d11為石英晶體縱向壓電常數(shù)，C/N。QQxyzFx----------++++++++++++Fx2）橫向壓電效應（沿y軸方向受力，垂直于x軸的平面上產生電荷，電荷與晶片尺寸有關。）關系式：

l為石英晶體片長度；t為晶體片厚度。twFyzyxlFyQQxyz----------++++++++++++FyFyyFtl-dQ11=3）剪切效應關系式：

d26為石英晶體的橫向壓電常數(shù)，C/N。QQxyz----------++++++++++++垂直于y軸，沿x軸方向受剪切力T作用，受力表面上電荷與石英片幾何尺寸無關，與剪切力成正比。TdQ26=-2d11=T壓電式傳感器可根據(jù)石英晶體的壓電效應進行工作。但石英晶體資源少、價格較貴，一般只是在校準用的標準傳感器或精度要求很高的傳感器中才用。大多數(shù)壓電傳感器采用壓電陶瓷作壓電元件。二、壓電陶瓷的壓電效應原始的壓電陶瓷不具有壓電性。內部有許多電疇，極化前，電疇是無規(guī)則排列的；在一定溫度下，以強電場作用后，內部電疇規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電特性。極化后的壓電陶瓷沒有極化現(xiàn)象，是因為表面被自由電子中和了。施加沿極化方向的外力作用時，在垂直于極化方向的平面上釋放電荷。電荷正比于外力大小。注：剛極化的壓電陶瓷特性不穩(wěn)定，須經2、3個月。但如使用時間長，則需經常校準。一、壓電元件的常用形式在壓電式傳感器中，為提高靈敏度，使用時，常將幾片同型號的壓電元件組合在一起。常見的壓電元件方式有2種：并連接法；串連接法。5.5壓電元件的應用特點1、并連接法將壓電元件的負極相連。特點：輸出電荷大、本身電容大、時間常數(shù)大。適于測量緩變信號，以電荷量為輸出的場合。2、串連接法特點：輸出電壓大、本身電容小。適于測量電路輸入阻抗高及以電壓為輸出的場合。二、壓電元件的等效電路如圖:CaUoRaQQ是壓電元件受力后產生的電荷，Uo是電極板間電位差。Ca是極板間電容，Ra是極板間絕緣電阻。壓電傳感器中的內阻都很高，輸出功率很小，需要經過阻抗變換和信號放大才能顯示、記錄和使用。在壓電元件和測量電路中間配接放大器。三、放大器電路1、作用把壓電元件微弱的信號放大；把壓電元件的高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觥?、形式

電荷放大器；電壓放大器。3、電荷放大器一種利用電容進行負反饋的高放大倍數(shù)運算放大器。CaUoutQ-ACoCfCi電荷放大器的輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器的輸出電壓只與壓電元件產生的電荷和反饋電容有關，與連接電纜的分布電容無關。4、電壓放大器又稱阻抗放大器。要求放大器輸入電阻盡量高，以避免引起較大誤差。電壓放大器與壓電傳感器間的連接電纜不能隨意更改，否則會引入測量誤差。5.6壓電傳感器的應用一、指套式電子血壓計利用放大指套上的壓電傳感器，把手指的血壓變?yōu)殡娦盘?，由電子檢測電路處理后直接顯示出血壓值。120/70電子電路指套壓力源電子血壓計的電路框圖：時鐘放大器譯碼驅動幅值比較器壓電傳感器移位寄存器+5V顯示器門控觸發(fā)A/D幅值比較器移位寄存器譯碼驅動顯示器二、振動測量儀原理：在壓電式傳感器測試電路中，電荷是與加速度成正比，如把測得的信號加以積分，就能獲得振動速度和振幅參數(shù)。該振動儀可測量0.4~80cm的振動速度，4μm~8cm的振幅，160μg~10g的加速度。振動測量儀電路圖：壓電元件C39600pC2125pC62000pC59500pC40.0235μR3250kR42MR25MR110MC1AVDS輸出三、壓電加速度傳感器下圖為壓電加速度傳感器的原理圖。由質量塊、壓電元件和支座組成。支座與待測物剛性地固定在一起。原理:當待測物運動時，支座與待測物以同一加速度運動，壓電元件受到質量塊與加速度相反方向的慣性力的作用，在晶體的兩個表面上產生交