壓電式傳感器原理及應(yīng)用

1、5.3.1 壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理5.3.2 等效電路及信號變換電路等效電路及信號變換電路5.3.3 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器5.3.4 壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器下一頁返 回l電勢型傳感器電勢型傳感器 以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)壓電效應(yīng)可逆壓電效應(yīng)可逆 “雙向傳感器雙向傳感器”l正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生改變時，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力發(fā)生改變時，其表面上會產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種去掉時，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為

2、正壓電效應(yīng)?，F(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng)。 ( 加力加力 變形變形 產(chǎn)生電產(chǎn)生電荷荷)上一頁下一頁返 回l逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 在壓電材料的兩個電極面上，如果加以交流電壓，在壓電材料的兩個電極面上，如果加以交流電壓，那么壓電片能產(chǎn)生機械振動，即壓電片在電極方那么壓電片能產(chǎn)生機械振動，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為“電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)”，也叫做，也叫做“逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)”。(施加電場施加電場 電介質(zhì)產(chǎn)生變形電介質(zhì)產(chǎn)生變形 應(yīng)力應(yīng)力 ) 常見的壓電材料有常見的壓電材料有石英石英、鈦酸鋇鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛等。等。 X軸：電軸或

3、軸：電軸或1軸；軸；Y軸：機械軸或軸：機械軸或2軸；軸；Z軸：光軸或軸：光軸或3軸。軸。 “縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”：沿電軸（：沿電軸（X軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”：沿機械軸（：沿機械軸（Y軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷軸）方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸（在光軸（Z軸）方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。軸）方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。上一頁下一頁返 回l當沿電軸方向加作用力當沿電軸方向加作用力Fx時，則在與電軸垂直的平面時，則在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷上產(chǎn)生電荷 xxFdQ11d11壓電系數(shù)（壓電系數(shù)（C/N） yyxFbadFbadQ1112作用力是沿著

4、機械軸方向作用力是沿著機械軸方向電荷仍在與電荷仍在與X軸垂直的平面軸垂直的平面上一頁下一頁返 回1112dd此時，此時，圖（圖（a）是在）是在X軸方向受壓力，軸方向受壓力，圖（圖（b）是在）是在X軸方向受拉力，軸方向受拉力，圖（圖（c）是在）是在Y軸方向受壓力，軸方向受壓力，圖（圖（d）是在）是在Y軸方向受拉力。軸方向受拉力。上一頁下一頁返 回（a）正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。）正負電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。（b）在）在X軸方向壓縮，表面軸方向壓縮，表面A上呈現(xiàn)負電荷、上呈現(xiàn)負電荷、B表面呈現(xiàn)正電荷。表面呈現(xiàn)正電荷。（c）沿）沿Y軸方向壓縮，在軸方向壓縮，在A和和

5、B表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負電荷表面上分別呈現(xiàn)正電荷和負電荷 上一頁下一頁返 回一種天然晶體，壓電系數(shù)一種天然晶體，壓電系數(shù)d112.311012C/N；莫氏硬度為莫氏硬度為7、熔點為、熔點為1750、膨脹系數(shù)僅為鋼、膨脹系數(shù)僅為鋼的的1/30。優(yōu)點：優(yōu)點：轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高、線性范圍寬、重復(fù)性好、固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達固有頻率高、動態(tài)特性好、工作溫度高達550（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕（壓電系數(shù)不隨溫度而改變）、工作濕度高達度高達100%、穩(wěn)定性好。、穩(wěn)定性好。上一頁下一頁返 回l人工制造的多晶體，壓電機理與壓電晶體不同。人工

6、制造的多晶體，壓電機理與壓電晶體不同。 壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化上一頁下一頁返 回壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖壓電陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符合相反而數(shù)值相等，自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符合相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用，因此陶瓷片對外不表現(xiàn)極性。因此陶瓷片對外不表現(xiàn)極性。 上一頁下一頁返 回l壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，壓電陶瓷片上加上一個與極化反向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來吸附在極板上的陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，原來吸附在極

7、板上的自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)自由電荷，一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象放電現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、當壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)此電極上又吸附部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象充電現(xiàn)象。 放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系 FdQ33上一頁下一頁返 回 Q 電荷量；電荷量；d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)；壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F 作用力。作用力。 （1）鈦酸鋇（）鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷）壓電陶瓷 具有較高的壓電系數(shù)和介

8、電常數(shù)，機械強度不如石英。具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)，機械強度不如石英。（2）鋯鈦酸鉛）鋯鈦酸鉛Pb（ZrTi）O3系壓電陶瓷（系壓電陶瓷（PZT）壓電系數(shù)較高，各項機電參數(shù)隨溫度、時間等外界條件的壓電系數(shù)較高，各項機電參數(shù)隨溫度、時間等外界條件的 變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一兩種微量元素，可以 獲得不同性能的獲得不同性能的PZT材料。材料。（3）鈮鎂酸鉛）鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（壓電陶瓷（PMN）具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700kg/cm2仍能繼續(xù)工仍能繼續(xù)工

9、作，可作為高溫下的力傳感器。作，可作為高溫下的力傳感器。上一頁下一頁返 回l1. 壓電元件的等效電路壓電元件的等效電路l2. 壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路上一頁下一頁返 回hshsCra0aCQU 上一頁下一頁返 回(a)等效為一個電荷源等效為一個電荷源Q與一個電容與一個電容Ca并聯(lián)的電路并聯(lián)的電路 (b) 等效成一個電源等效成一個電源U = Q/Ca 和一個電容和一個電容Ca的串聯(lián)電路的串聯(lián)電路 上一頁下一頁返 回（a） “并聯(lián)并聯(lián)”，Q=2Q，U=U，C=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號

10、并且以電荷作為輸出量的地方，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的地方，（b） “串聯(lián)串聯(lián)” Q=Q，U=2U，C=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。上一頁下一頁返 回壓電式傳感器要求負載電阻壓電式傳感器要求負載電阻RL必須有很大的數(shù)必須有很大的數(shù)值，才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。值，才能使測量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。然后再接一

11、般的放大電路及其它電路。測量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。測量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。 前置放大器兩個作用前置放大器兩個作用: 把壓電式傳感器的微弱信號放大；把壓電式傳感器的微弱信號放大； 把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。上一頁下一頁返 回Ca：傳感器的電容：傳感器的電容 Ra：傳感器的漏電阻：傳感器的漏電阻 Cc：連接電纜的等效電容：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容：放大器的輸入電容iaiaRRRRRicaCCCC上一頁下一頁返 回前置放大器輸入電壓前置放大器輸入電壓 RCjRiUi1壓電元件的

12、力壓電元件的力 F=Fmsint壓電元件的壓電系數(shù)為壓電元件的壓電系數(shù)為d11，產(chǎn)生的電荷為，產(chǎn)生的電荷為Q = d11F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdUi111。2211)()(1icamimCCCRRFdu輸入電壓的幅值輸入電壓的幅值 當作用力是靜態(tài)力（當作用力是靜態(tài)力（=0） 時，前置放大器的輸入電壓為零。時，前置放大器的輸入電壓為零。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。原理上決定了壓電式傳感器不能測量靜態(tài)物理量。壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應(yīng)相當好。壓電式傳感器突出優(yōu)點：高頻響應(yīng)相當好。 上一頁下一頁返 回l如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回路

13、的時間如果被測物理量是緩慢變化的動態(tài)量，而測量回路的時間常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴大傳常數(shù)又不大，則造成傳感器靈敏度下降。因此為了擴大傳感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時間常數(shù)。感器的低頻響應(yīng)范圍，就必須盡量提高回路的時間常數(shù)。l但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)，因為但這不能靠增加測量回路的電容量來提高時間常數(shù)，因為傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的辦法是傳感器的電壓靈敏度與電容成反比的，切實可行的辦法是提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都提高測量回路的電阻。由于傳感器本身的絕緣電阻一般都很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大

14、器的輸入很大，所以測量回路的電阻主要取決于前置放大器的輸入電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越電阻。放大器的輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)就越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。上一頁下一頁返 回l壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時，連接電纜不能太長。電纜長，電纜電容接電纜不能太長。電纜長，電纜電容Cc就大，就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。l電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元電壓放大器與電荷放大器相比，電路簡單，元件少，價格便宜，工作可靠，但是電纜長

15、度對件少，價格便宜，工作可靠，但是電纜長度對傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限傳感器測量精度的影響較大，在一定程度上限制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。制了壓電式傳感器在某些場合的應(yīng)用。上一頁下一頁返 回將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。上一頁下一頁返 回壓電式加速度傳感器 l壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片壓電式加速度傳感器的壓電元件是二片并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個超并聯(lián)連接的石英晶片，放大器是一個超小型靜電放大器。這樣引線非常短，引小型靜電放大器。這樣引線非常短，引線電容幾乎等于零就避免了長電纜對傳線電容幾乎等于零就避免了長電纜對

16、傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號，這樣彌補了石以得到較大的電壓信號，這樣彌補了石英晶體靈敏度低的缺陷。英晶體靈敏度低的缺陷。 壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達高達10101012，輸出阻抗小于，輸出阻抗小于100。使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點使用電荷放大器突

17、出的一個優(yōu)點：在一定條件：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。上一頁下一頁返 回K是放大器的開環(huán)增益，（是放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地地”電位。電位。 上一頁下一頁返 回充電電壓接近等于放大器的輸出電壓充電電壓接近等于放大器的輸出電壓 fficacfCQCkCCCkQUU)1 (0幾點結(jié)論：幾點結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)，

18、而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系，2、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量、只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成變化成 線形關(guān)系的輸出電壓。線形關(guān)系的輸出電壓。3、反饋電容、反饋電容Cf小，輸出就大，小，輸出就大，4、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當?shù)姆答侂娙?。、要達到一定的輸出靈敏度要求，就必須選擇適當?shù)姆答侂娙荨?、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件：、輸出電壓與電纜電容無關(guān)條件： （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）上一頁下一頁返 回壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)壓縮式壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)上一頁下一頁返 回當傳感器感受振動時，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同當傳感器感受振動時，質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力的作用。這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓這樣，質(zhì)量塊就有一正比于加速度的交變力作用在壓電片上。由于壓電片壓電效應(yīng)