智能傳感與檢測技術(shù) 課件 第4章壓電式傳感器

機械工業(yè)出版社CHINAMACHINEPRESS壓電式傳感器第4章智能傳感與檢測技術(shù)徐小華主編

ISBN978-7-111-76072-6壓電式傳感器4智能傳感與檢測技術(shù)壓電元件與壓電效應(yīng)4.1壓電傳感器的結(jié)構(gòu)4.2壓電傳感器的等效電路和測量電路4.3壓電式傳感器應(yīng)用實例4.4壓電式傳感器044.1.1壓電元件4.1.2壓電效應(yīng)智能傳感與檢測技術(shù)4.1壓電元件與壓電效應(yīng)式傳感器壓電式傳感器04壓電式傳感器中的壓電元件一般有三類：壓電晶體（單晶體）經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷（多晶體）高分子壓電材料4.1.1壓電元件智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

石英（SiO2）晶體結(jié)晶形狀為六角形晶柱。一、石英晶體智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

石英晶體是一種性能良好的壓電晶體，它的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定。在20~200℃的范圍內(nèi)壓電常數(shù)的變化率只有-0.0001/℃。此外，它還具有自振頻率高、動態(tài)響應(yīng)好、機械強度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等優(yōu)點。石英晶體的不足之處是壓電常數(shù)較?。╠=2.31×10-1C/N）。因此石英晶體大多只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高準(zhǔn)確度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用。智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。二、壓電陶瓷智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

壓電陶瓷由無數(shù)細微的電疇組成。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理。極化處理之后，陶瓷材料內(nèi)部存在有很強的剩余極化強度，當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時，其表面也能產(chǎn)生電荷，所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)。a）極化處理前電疇雜亂分布b）在極化電壓下的電疇分布c）冷卻、穩(wěn)定后的電疇分布智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

壓電陶瓷的優(yōu)點是燒制方便、易成型、耐濕、耐高溫。缺點是具有熱釋電性，會對力學(xué)量測量造成干擾。常用的壓電陶瓷材料主要有以下兩種：鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）非鉛系壓電陶瓷智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。優(yōu)點是不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，測量動態(tài)范圍大，頻率響應(yīng)范圍較寬。缺點是工作溫度一般低于100℃，溫度升高時，靈敏度將降低。它的機械強度不夠高，耐紫外線能力較差，不宜暴曬，以免老化。三、高分子壓電材料智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ浼恿Χ蛊渥冃螘r，在一定表面上將產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到正常的不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：如果在這些物質(zhì)的極化方向施加電場，這些物質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。4.1.2壓電效應(yīng)智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04石英晶體的三個軸：縱向軸稱為光軸，也稱z軸，有折光效應(yīng)，沒有壓電效應(yīng)經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的軸線稱為電軸，也稱x軸經(jīng)過正六面體的棱面且垂直于光軸的軸線稱為機械軸，也稱y軸智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04石英晶體的三個面：垂直于光軸（z軸）的面稱為z面垂直于電軸（x軸）的面稱為x面垂直于機械軸（y軸）的面稱為y面電荷只產(chǎn)生在與x軸垂直的x面的前后兩側(cè)。智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04石英晶體的x、y軸向受力產(chǎn)生電荷比較：在x軸方向上施加壓力Fx時，在x面上產(chǎn)生的電荷：式中d11為x方向受力的壓電系數(shù)。在y軸方向施加壓力Fy時，則仍在x面上產(chǎn)生電荷：式中d12為y軸方向受力的壓電系數(shù)，l、δ為石英晶片的長度和厚度。根據(jù)石英晶體的對稱性，d12=-d11；電荷qx和qy的符號由受壓力還是受拉力決定。智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04當(dāng)石英晶體未受外力作用時，如圖（a）所示，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。因為P=ql,q為電荷量，l為正負電荷之間距離。此時正負電荷重心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。石英晶體壓電模型(a)不受力時(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力

智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形，正負離子的相對位置也隨之變動，如圖（b）所示，此時正負電荷重心不再重合，電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)負電荷，x軸負向出現(xiàn)正電荷。在y軸方向上的電偶極距的分量為零，不出現(xiàn)電荷。石英晶體壓電模型(a)不受力時(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力

智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時，晶體的變形如圖（c）所示。P1增大，P2、P3減小。在x面上出現(xiàn)電荷，它的極性為在x軸正向出現(xiàn)正電荷，x軸負向出現(xiàn)負電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。石英晶體壓電模型(a)不受力時(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力

智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同，所以正負電荷重心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同。

如果施加靜態(tài)力時，在初始瞬間，產(chǎn)生與力成正比的電荷，但由于表面漏電，所產(chǎn)生的電荷很快泄漏并消失。石英晶體的壓電效應(yīng)演示智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

當(dāng)傳感器與被測振動加速度的機件緊固在一起后，傳感器受機械運動的振動加速度作用，壓電晶片受到質(zhì)量塊慣性引起的壓力，其方向與振動加速度方向相反，大小由F=ma決定。慣性引起的壓力作用在壓電片上產(chǎn)生電荷。電荷由引出電極輸出，由此將振動加速度轉(zhuǎn)換成電參量。彈簧是給壓電片施加預(yù)緊力的。預(yù)緊力的大小基本不影響輸出電荷的大小。若預(yù)緊力不夠，而加速度又較大時，質(zhì)量塊將與壓電片敲擊碰撞;預(yù)緊力也不能太大，否則會引起壓電片的非線性誤差。智能傳感與檢測技術(shù)4.2壓電式傳感器的原理傳感器a）原理圖b）結(jié)構(gòu)c）外形壓電式加速度傳感器1一基座2—引出電極3—壓電晶片4一質(zhì)量塊5—彈簧6—殼體7一固定螺孔壓電式傳感器04

壓電元件在承受沿敏感軸方向的外力作用時，將產(chǎn)生電荷，因此它相當(dāng)于一個電荷發(fā)生器，當(dāng)壓電元件表面聚集電荷時，它又相當(dāng)于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，兩電極板間的電容為:智能傳感與檢測技術(shù)4.3壓電傳感器的等效電路和測量電路式傳感器a）結(jié)構(gòu)示意圖b）電路符號c）等效電路壓電元件1—鍍銀上電極2—壓電晶體3—鍍銀下電極

因此，可以把壓電元件等效為一個電荷源與一個電容相并聯(lián)的電荷等效電路，如圖所示，如果忽略阻值較大的漏電阻Ra，則壓電元件的端電壓：壓電式傳感器04

壓電傳感器的輸出信號非常微弱，一般需將電信號放大后才能檢測出來。根據(jù)壓電傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號也可以是電壓信號，因此與之相配的前置放大器有電壓前置放大器和電荷放大器兩種形式。因為壓電傳感器的內(nèi)阻抗極高，因此它需要與高輸入阻抗的前置放大器配合。從圖中可以看到，如果使用電壓放大器，其輸入電壓ui=Q/（Ca+Cc+Ci），導(dǎo)致電壓放大器的輸入電壓與屏蔽電纜線的分布電容Cc及放大器的輸入電容Ci有關(guān)，它們均是變數(shù)，會影響測量結(jié)果，故目前多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器（電荷/電壓轉(zhuǎn)換器），如圖所示。智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器044.4.1壓力陶瓷傳感器的應(yīng)用

4.4.2高分子壓電材料的應(yīng)用智能傳感與檢測技術(shù)4.4壓電式傳感器的應(yīng)用實例式傳感器壓電式傳感器04

壓電陶瓷多制成片狀，稱為壓電片。壓電片通常是兩片(或兩片以上)粘結(jié)在一起，由于壓電片上的電荷是有極性的，因此有串聯(lián)和并聯(lián)兩種接法，一般常用的是并聯(lián)接法，如圖所示。4.4.1壓力陶瓷傳感器的應(yīng)用1.壓力式單向動態(tài)力傳感器的工作原理智能傳感與檢測技術(shù)

壓電片的并聯(lián)接法壓電式傳感器04

主要用于變化頻率不太高的動態(tài)力的測量，如車床動態(tài)切削力的測試。被測力通過傳力上蓋使壓電片在沿軸方向受壓力作用而產(chǎn)生電荷，兩塊壓電片沿軸向反方向疊在一起，中間是一個片形電極，它收集負電荷。兩壓電片正電荷側(cè)分別與傳感器的傳力上蓋及底座相連。因此兩塊壓電片被并聯(lián)起來，提高了傳感器的靈敏度。片形電極通過電極引出插頭將電荷輸出。電荷Q與所受的動態(tài)力成正比。只要用電荷放大器測出△Q，就可以測知△F。a）外形

b）結(jié)構(gòu)壓電式單向動態(tài)力傳感器1—剛性傳力上蓋

2—壓電片

3一電極

4—電極引出插頭5—絕緣材料6—底座智能傳感與檢測技術(shù)壓電式傳感器04

壓電動態(tài)力傳感器位于車刀前端的下方。切削前，雖然車刀緊壓在傳感器上，壓電片在壓緊的瞬間也曾產(chǎn)生出很大的電荷，但幾秒之內(nèi)，電荷就通過電路的泄漏電阻中和掉了。切削過程中，車刀在切削力的作用下，上下劇烈顫動，將脈動力傳遞給單向動態(tài)力傳感器。傳感器的電荷變化量由電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓，再用記錄儀記錄下切削力的變化量。刀具切削力測量示圖1一壓電式單向動態(tài)力傳感器2—刀架3—車刀4一工件智能傳感與檢測技術(shù)2.壓力式單向動態(tài)力傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器04

玻璃破碎時會發(fā)出幾千赫茲甚至超聲波(高于20kHz)的振動。將高分子壓電薄膜粘貼在玻璃上，可以感