壓電式測力傳感器

1、壓電式測力傳感器的原理及應(yīng)用摘要：伴隨著電子工程、機(jī)械工程、物理學(xué)及生物學(xué)的發(fā)展和需求，傳感器微電子技術(shù)也逐步的成熟起來，成為一個(gè)獨(dú)立的，設(shè)計(jì)生物、物理、化學(xué)、材料、工程學(xué)等領(lǐng)域的新學(xué)科。它也將延伸到我們生活的各行各業(yè)、方方面面。由于傳感器技術(shù)的空前發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷深入，人們對這方面知識的需求愈顯迫切，各種特性，功能各異的傳感器也應(yīng)運(yùn)而生，例如生物傳感器，紅外傳感器，壓電式傳感器，對于這形色功能各異的傳感器我們怎樣去認(rèn)識、熟悉它也是一個(gè)需要解決的難題，本文將帶領(lǐng)我們進(jìn)入這個(gè)新奇的世界，關(guān)鍵詞：微電子技術(shù)，傳感器，壓電式測力傳感器1引言：生活中的聲控開關(guān)、商場中的智能大門、時(shí)下正熱的紅外遙

2、感技術(shù)，對這一切就時(shí)時(shí)刻刻發(fā)生我們身邊和應(yīng)用到我們生活中的隨口拖出的“神秘”東西，對于這些智能的生活用具到底怎樣工作的呢？在這之中我們不得不提到一個(gè)重要的幕后操縱者一一傳感器，什么是傳感器，傳感器的工作原理及其性能是什么，本文將通過介紹傳感器中的一種壓電式傳感器帶領(lǐng)我們進(jìn)入這個(gè)神秘的世界，并通過實(shí)例的解析去認(rèn)識它2傳感器的綜述2.1傳感器的專業(yè)術(shù)語及系統(tǒng)介紹傳感器：（廣義）凡能外界信息并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量和控制的信息的裝置；（狹義）只有將外界信息按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成電量的裝置。傳感器的總特性：主要指傳感器以及被測對象和后接儀器組成的測量系統(tǒng)的輸入和輸出的匹配、傳感器的機(jī)械特性以及其工作特性。

3、靜態(tài)特性：表示傳感器在被測量各值處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的輸入-輸出的關(guān)系，其指標(biāo)是靈敏度、線性度、穩(wěn)定度遲滯等。動(dòng)態(tài)特性：指輸入隨時(shí)間變化的特性，它表示傳感器對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。它取決于傳感器本身，另外與被測量的形式有關(guān)。傳感器的組成：通常，傳感器由敏感元件，傳感元件和其他輔助件組成，又是也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。如下圖：圖1-1傳感器組成方塊圖敏感元件：直接感受被測量（一般為非電量），并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量（一般為電量）的元件。如應(yīng)變式壓力傳感器的彈性膜片、熱電偶等都為敏感元件。傳感元件：又稱變換器，它一般情況下不直接感受被測量，而是將敏感元件的輸出

4、量轉(zhuǎn)換為電量輸出的元件。如應(yīng)變式傳感器中的應(yīng)變片等。信號調(diào)節(jié)與輔助電路：能把傳感元件輸出的電信號轉(zhuǎn)換為便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號的電路。常用的電路有電橋、放大器、振蕩器、阻抗變換器等。傳感器的簡單分類：1、按被測量分類；2、按物理量的典型效應(yīng)分類。表1-2被測量分類分類被測量機(jī)械長度、厚度、位移、液面、速度、加速度、旋轉(zhuǎn)角、質(zhì)量、重量、力、壓力、真空度、力矩、旋轉(zhuǎn)力、風(fēng)速、流速、流量、振動(dòng)音響聲壓、噪聲頻率頻率、時(shí)間電氣電流、電壓、電位、功率、電荷、阻抗、電阻、電容、電感、電磁波磁性磁通、磁場溫度溫度、熱量、熱容光照度、光度、彩色、紫外線、紅外線、光位移射線輻照量、劑量溫度溫度、水

5、分化學(xué)純度、濃度、成分、PH值、黏度、密度、氣、液、固體分析生理心音、血壓、血流、脈電波、血流沖擊、血液養(yǎng)飽和度、血液氣體分壓、氣流量、速度、體溫、心電波、腦電波、肌肉電波、網(wǎng)膜電波、心磁波信息模擬、數(shù)字量、運(yùn)算、傳遞、相關(guān)值表1-3物理量的典型效應(yīng)能量控制型能量轉(zhuǎn)換性電阻、電感電容-幾何尺寸的控制壓電效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)磁阻效應(yīng)熱阻效應(yīng)光阻效應(yīng)熱阻效應(yīng)光電動(dòng)勢效應(yīng)光電放射效應(yīng)熱電效應(yīng)1懣致伸縮效應(yīng)霍爾效應(yīng)電離效應(yīng)約瑟夫效應(yīng)光子滯后效應(yīng)熱磁效應(yīng)熱電磁效應(yīng)2.2 壓電式測力傳感器的性能分析及工作原理2.2.1 壓電式測力傳感器的介紹及工作原理壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)物體，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫屠Χ?/p>

6、使之變形時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)會在其表面產(chǎn)生電荷。當(dāng)將外力去掉后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)：人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，就稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械形變；當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。定義：具有壓電特性的電介質(zhì)稱為壓電材料，用壓電材料制成的傳感器叫做壓電傳感器。壓電式傳感器可以看作是電荷發(fā)生器，它又是一個(gè)電容器，如圖1所示。其電容量為第2頁，共8頁0-C二62.1)式中：名壓電式材料的相對介電常數(shù)，石英晶體6=4.5,鈦酸銀£=12

7、00;斯真空介電常數(shù)，的=8.85M10-12F/m；c.極板間距離；-：極板面積。在圖所示壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍形成金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極,晶片上的外力。實(shí)驗(yàn)已證明壓電體表面積聚的電荷與作用力成正比。F為施加在Fj金屬板三運(yùn)二l=;i=>鼻三二_，F(xiàn)圖2-1壓電式測力傳感器的模型壓電式傳感器接入電路等效電路圖，如下圖所示：其中Cc為連接電纜的寄生電容形成的傳感器的并生電容，R后續(xù)電路的輸入阻抗和傳感器中漏電阻形成的泄漏電阻。圖2-2傳感器等效電路2.2.2 壓電式測力傳感器的材料及性能分析具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)稱為壓電材料，典型的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷和高分子壓電材料等。

8、（一）石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶法S埋相外形上理想坐標(biāo)系C三線生標(biāo)至d晶體切片1圖2-3石英晶體的結(jié)構(gòu)圖x軸電軸，垂直于x軸晶面上的壓電效應(yīng)最顯著；y軸機(jī)械軸，在電場作用下，此軸的機(jī)械變形最顯著；z軸光軸（中性軸），該軸方向上無壓電效應(yīng)。1、縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)是沿著x軸對晶體施加力時(shí)，在垂直于x軸的表面上產(chǎn)生電荷，如圖（A）、（B）所示，產(chǎn)生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸無關(guān)。2、橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)是沿著y軸對晶體施加力時(shí)，在垂直于x軸的表面上產(chǎn)生電荷，如圖（C）、（D）所示，產(chǎn)生的電荷與作用力的大小成正比，與晶片尺寸無關(guān)。圖2-4石英晶體是四種受力情況（A、B、C、D）石英

9、晶體的壓電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理：石英晶體的化學(xué)分子為SiO2,每一個(gè)晶體單元有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，他們交替排列，在垂直z軸平面上分布在正六邊形的頂角上，如下圖（A）所示。當(dāng)作用力為零時(shí)，正負(fù)電荷平衡，外部不帶電。圖2-5石英晶體的幾種受力情況當(dāng)沿x軸施加拉力作用時(shí)電荷分布如圖（B）所示，當(dāng)施加相反的力時(shí)，則點(diǎn)和分布相反；當(dāng)沿y軸施加壓力作用時(shí)電荷分布如圖（C）所示，當(dāng)施加相反的力時(shí)，則點(diǎn)和分布相反；當(dāng)沿z軸施加作用力時(shí)，由于負(fù)離子平移，故在表面上沒有電荷出現(xiàn)。因此沿Z軸方向上不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（二）壓電陶瓷的壓電效應(yīng)1、壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)：壓電陶瓷是人造多晶體，其壓電原理與石英晶體完全不同。其結(jié)構(gòu)為多

10、晶體，如圖2-6所示。內(nèi)部存在許多電疇，就象磁性材料內(nèi)部存在磁疇樣。壓電陶瓷剛燒結(jié)成時(shí)，其內(nèi)部各晶粒中的電疇的自發(fā)極化方向是雜亂無章、相互抵消的。3）未極化（b）正在極化（C）極化后圖2-6壓電陶瓷結(jié)構(gòu)及極化2、壓電陶瓷的極化極化的目的是設(shè)法使壓電陶瓷內(nèi)部雜亂無章相互抵消的電疇方向取向一致。在燒結(jié)后的壓電陶瓷上施加一外磁場E,在電場作用下，電疇的自發(fā)極化方向趨向電場，方向一致。極化后壓電陶瓷有一定的極化強(qiáng)度。與原電場方向一致，保留一些極化強(qiáng)度。（自）無外力作用當(dāng)外磁場去掉后，各電的極化方向基本上保持（bl壓力作=用+|+I-+極化G向圖2-7壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第5頁，共8頁由于存在極化強(qiáng)度，在

11、壓電陶瓷極化方向兩端便出現(xiàn)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷極化方向兩端很快吸附一層來自外界的自由電荷。在無外力作用時(shí)，束縛電荷和自由電荷在數(shù)量上相等，極性相反，對外不顯電性。如圖2-7（a）所示。2.3 壓電式測力傳感器的應(yīng)用2.3.1 壓電式測力傳感器的分類壓電式力傳感器按其用途和壓電元件組成可分為單向力、雙向力和三向力傳感器。它可以測量幾百至幾萬牛頓的動(dòng)態(tài)力。1、單向力傳感器單向力傳感器的壓電元件采用xy（即x0°）切型石英晶體，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過d11實(shí)現(xiàn)力一一電轉(zhuǎn)換。2、雙向力傳感雙向力傳感器基本上有兩種組合，其一是垂直分力與切向分力，即Fz與Fx（或Fy）;其二是

12、測量互相垂直的兩個(gè)切向分力，即Fz與Fy。無論那一種組合，傳感器的結(jié)構(gòu)形式相似。3、三向力傳感器三向力傳感器可以對空間任一個(gè)或三個(gè)力同時(shí)進(jìn)行測量。傳感器有三組石英晶片，三組輸出的極性相同。2.3.2 壓電式測力傳感器的應(yīng)用及工作原理1、單向力傳感器：如圖3-1所示：兩片壓電晶片沿電軸方向疊在一起，采用并聯(lián)接法，中間為片形電極（負(fù)極），它收集負(fù)電荷。底座與傳力蓋形成正極，絕緣套使正、負(fù)極隔離。圖3-1單向壓電石英力傳感器結(jié)構(gòu)壓電式測力傳感器由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及底座等組成。傳感器上蓋為傳力元件,被測力F通過上蓋使壓電晶片沿電軸方向受壓力作用，將產(chǎn)生彈性形變，將力傳遞到兩片并聯(lián)的壓電晶片

13、上，產(chǎn)生電荷，負(fù)電荷由中間電極輸出，正電荷直接與底座連接輸出。這種傳感器有以下特點(diǎn)：體積小，重量輕（僅10g）;固有頻率高（約50-60KHz）;可檢測高達(dá)5000N（變化頻率少于20KHz）的動(dòng)態(tài)力,分辯率高，可達(dá)10-3N。2、壓電式金屬加工切削力測量輸出信號圖3-2金屬加工力測量示意圖由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測量變化劇烈的載荷。如圖3-2所示，圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí)，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便測得切削力的變化。3、梁式力傳感器電纜圖3-3粱式力傳感器圖示等強(qiáng)度彈性元件的懸臂梁如圖3-4所

14、示：梁的固定端寬度為b0,自由端寬度為L,梁厚為h。當(dāng)集中力F作用在自由端時(shí)，距作用力任何距離x的截面上的應(yīng)力。相等。因此，沿著梁的長度方向上的截面抗彎模量W的變化與彎矩M的變化成正比，即6FLboh2=常數(shù)3.1)在等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)中,圖3-4等強(qiáng)度彈性元件的懸臂梁往往采用矩形截面，保持截面厚度不變，只改變梁的寬度。設(shè)沿梁長度方向上某一截面到力的作用點(diǎn)的距離為x,bx為與x值相應(yīng)的梁寬，則等強(qiáng)度梁各點(diǎn)的應(yīng)變值為6Fxbxh2E)式中：E為傳感器的彈性模量。如果當(dāng)電橋的供電電壓為U時(shí)，其輸出電壓Uo為Uo=5k；,帶入上式消去名，可得6Fxbxh2EUoUKbh2E整理可得：F=-；-Uo,(3.5)bU,kx粱式力傳感器彎曲懸臂梁結(jié)構(gòu)，外形高度低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。用于拉伸力或壓縮力測量，抗偏、抗側(cè)向力強(qiáng)；防塵密封，量程范圍廣，精度高，性能穩(wěn)定可靠，安裝使用方便；拉式或壓式承載；適用于電子秤、衡器等各種測力/稱重的工業(yè)自動(dòng)化測量控制系統(tǒng)。2.4結(jié)論本文通過傳感器的基本介紹及性能簡單分析，以達(dá)到人們對傳感器組成及其原理的一個(gè)初步淺顯的認(rèn)識，后面通過傳感器之壓電傳感器中的測力傳感器的原理分析及其應(yīng)用介紹讓人們從一個(gè)切合實(shí)際的角度來深入的了解傳