傳感器原理及檢測(cè)技術(shù)_第5章_壓電式傳感器

1、1第5章 壓電式傳感器2本章主要內(nèi)容5.1 5.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理 5.2 5.2 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 5.3 5.3 壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)及誤差壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)及誤差5.4 5.4 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 35.1壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點(diǎn)，在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以特點(diǎn)

2、，在各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。45.1.1 壓電式傳感器的原理壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┠承╇娊橘|(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在力而使它變形時(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)；電效應(yīng)；電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)與壓電效應(yīng)相反，當(dāng)在電介質(zhì)極與壓電效

3、應(yīng)相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)” ，也叫電致伸縮效應(yīng)。，也叫電致伸縮效應(yīng)。 51）“壓電效應(yīng)”“電致伸縮效應(yīng)” 壓電效應(yīng)具有方向性；壓電效應(yīng)具有方向性； 6 2）石英晶體的壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖 7 3）石英晶體外形及切片外形 84）晶軸命名石英晶體有石英晶體有3 3個(gè)晶軸：個(gè)晶軸：x x軸、軸、y y軸和軸和z z軸；軸；x x軸又稱電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂軸又稱電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸（直于光軸（z z）；）；y y軸又稱為機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)軸又

4、稱為機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面；相對(duì)的晶柱棱面；z z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致。線方向一致。95）產(chǎn)生電荷的條件在無(wú)外力作用時(shí)，電荷不會(huì)移動(dòng)；在無(wú)外力作用時(shí)，電荷不會(huì)移動(dòng)； 當(dāng)晶體沿電軸（當(dāng)晶體沿電軸（x x軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，正負(fù)電荷中心分離，表面帶電；變形，正負(fù)電荷中心分離，表面帶電； 同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（y y軸）方向受到壓力時(shí)，軸）方向受到壓力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形也會(huì)產(chǎn)生晶格變形 ，正負(fù)電荷中心分離，表面帶，正負(fù)電荷中心分離，表面帶電；電；當(dāng)晶體的光軸（當(dāng)晶體的光軸（z z軸

5、）方向受到受力時(shí)，由于晶格軸）方向受到受力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。生壓電效應(yīng)。106）結(jié)論l大小：沿機(jī)械軸方向的力作用在晶體上時(shí)，產(chǎn)生大?。貉貦C(jī)械軸方向的力作用在晶體上時(shí)，產(chǎn)生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，與力的大小成的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，與力的大小成正比；正比；l有無(wú)：能否產(chǎn)生電荷與受力面有關(guān)；有無(wú)：能否產(chǎn)生電荷與受力面有關(guān)；l極性：沿機(jī)械軸的壓力（或拉力）引起的電荷極性：沿機(jī)械軸的壓力（或拉力）引起的電荷 極性與沿電軸的壓力（或拉力）引起的電荷極性恰極性與沿電軸的壓力（或拉力）引起的電荷極性

6、恰好相反。好相反。 115.1.2 壓電材料 石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。優(yōu)良的壓電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有有3 3類：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶類：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。瓷、高分子壓電材料。12石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)；石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)；石英晶體的化學(xué)式為石英晶體的化學(xué)式為SiOSiO2 2，它的每個(gè)晶胞中，它的每個(gè)晶胞中有有3 3個(gè)硅離子和個(gè)硅離子和6 6個(gè)氧離子，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離

7、子交替排列（氧離子是成對(duì)出現(xiàn)的）；個(gè)氧離子交替排列（氧離子是成對(duì)出現(xiàn)的）；沿光軸看去，可以等效地認(rèn)為正六邊形排列沿光軸看去，可以等效地認(rèn)為正六邊形排列結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。1）石英晶體得益于晶格排列 132）天然石英晶體照片142）天然石英晶體照片（續(xù)） 2022-6-8153）石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片封裝成晶振封裝成晶振161）石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體振蕩器（晶振） 石英晶體在振蕩電路中石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。頻率。一種有源晶振一種有源晶振5.1.3 實(shí)物及

8、應(yīng)用舉例 172）壓電陶瓷外形183）高分子壓電薄膜及拉制 194）高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜205）高分子壓電踏腳板可用于制作報(bào)警傳感器可用于制作報(bào)警傳感器216）壓電式腳踏報(bào)警器225.2 壓電傳感器的測(cè)量電路壓電晶片的連接壓電晶片的連接將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個(gè)晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件；等效電路等效電路當(dāng)壓電元件受力時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷源；兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為：dSdSCra023壓電元件的等效電路 壓電元件等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，也可壓電元件等效為一個(gè)與電容

9、相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源，以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源，2022-6-824基本測(cè)量電路壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的前前置放大電路置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測(cè)量誤差減錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測(cè)量誤差減少；少；了解式了解式5-115-185-115-18（P100P101P100P101）；）；25基本測(cè)量電路壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個(gè)：壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個(gè)：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈?/p>

10、阻抗輸出；一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵觯欢前褌鞲衅鞯奈⑷跣盘?hào)進(jìn)行放大。二是把傳感器的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。261）電壓放大器 壓電傳感器的高頻響應(yīng)較好，通常用于高頻交變力的測(cè)量。壓電傳感器的高頻響應(yīng)較好，通常用于高頻交變力的測(cè)量。電壓靈敏度為：電壓靈敏度為： FmFm為受力；為受力； d d為壓電系數(shù)。為壓電系數(shù)。CCdFUKamimu272）電荷放大器 并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器電荷放大器實(shí)實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容際上是一個(gè)具有反饋電容CfCf的高增益運(yùn)算放大器電路的高增益運(yùn)算放大器電路 電荷放大器原理圖電荷放大器原理圖 電荷放

11、大器的輸出電壓電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可以忽略他因素的影響可以忽略不計(jì)。不計(jì)。 284)壓電式傳感器的輸出信號(hào)根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信它的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)，因此與之配套的前置放大器也有電荷放號(hào)，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式；大器和電壓放大器兩種形式；由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。有關(guān)，故目前多采

12、用電荷放大器。2022-6-8295.3 壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)及誤差壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)包括靈敏度、壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)包括靈敏度、頻率特性、精度和絕緣電阻等；在這里，誤頻率特性、精度和絕緣電阻等；在這里，誤差主要介紹的是壓電式傳感器與環(huán)境因素相差主要介紹的是壓電式傳感器與環(huán)境因素相關(guān)的誤差，主要是由環(huán)境溫度、濕度以及接關(guān)的誤差，主要是由環(huán)境溫度、濕度以及接線等引起的。線等引起的。2022-6-8305.3.1 壓電式傳感器的基本性能指標(biāo)靈敏度靈敏度頻率特性頻率特性精度精度絕緣電阻絕緣電阻315.3.2 壓電式傳感器的誤差環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響環(huán)境濕度的影響環(huán)境濕度的影

13、響電纜噪聲電纜噪聲接地回路噪聲接地回路噪聲325.3.3 壓電式傳感器的應(yīng)用1)壓電式加速度傳感器基本原理335.3.3 壓電式傳感器的應(yīng)用2)壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖34353）壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器主要由本體、彈性敏感元壓電式壓力傳感器主要由本體、彈性敏感元件和壓電元件組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示：件和壓電元件組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示：364）集成壓電傳感器隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，集成的壓電傳感器隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)的發(fā)展，集成的壓電傳感器已在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用；已在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用；集成的壓電傳感器是把壓電傳感器和前置放大器集成的壓電傳感器是把壓電傳感器和前置放大器集成在一起；集成在一起；集成的壓電傳感器有三種集成的壓電傳感器有三種一種是內(nèi)裝式微型一種是內(nèi)裝式微型電荷或電壓放大器的集成壓電傳感器，一種是恒電荷或電壓放大器的集成壓電傳感器，一種是恒流源供電的集成壓電傳感器；還有一種是恒壓源流源供電的集成壓電傳感器；還有一種是恒壓源供電的集成壓電傳感器。供電的集成壓電傳感器。37集成壓電傳感器的優(yōu)點(diǎn)（1 1）集成了前置放大器，及相關(guān)電路，簡(jiǎn)化）集成了前置放大器，及相關(guān)電路，簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)，降低了成本；了測(cè)量系統(tǒng)，降低了成本；（2 2）傳輸信號(hào)的