壓電式傳感器類型和應(yīng)用

1、壓電式傳感器類型和應(yīng)用8.1 壓電效應(yīng)8.2 測(cè)量電路8.3 壓電式傳感器的應(yīng)用8.1 壓電效應(yīng)1.壓電效應(yīng)居里兄弟皮爾（）與杰克（）發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)（piezoelectric effect）。 某些電介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力作用下，產(chǎn)生形變，極化狀態(tài)發(fā)生變化，致使表面帶電，表面電荷密度與應(yīng)力成正比，稱為正壓電效應(yīng)。 反之，施加外電場(chǎng)，介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械形變，應(yīng)變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱作“電致伸縮效應(yīng)”。石英晶體Z軸：光軸、中性軸；X軸：電軸；Y軸：機(jī)械軸為什么產(chǎn)生壓電效應(yīng)？石英晶體模型：由于離子之間造成錯(cuò)位，電荷的平衡關(guān)系受到破壞，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，使表面產(chǎn)生電荷。壓電陶瓷的極化處理石英晶體切片

2、上電荷極性與受力方向的關(guān)系2.壓電常數(shù)壓電材料的性能常用壓電常數(shù)來(lái)表征，式中，Q為壓電元件受力產(chǎn)生的表面電荷，F(xiàn)為作用在壓電元件上的力，d為壓電常數(shù)。 （一）正壓電效應(yīng) 壓電常數(shù)是表征壓電性能強(qiáng)弱的參數(shù)，不同材料具有不同的壓電性能，同一材料在不同的受力方向，電荷產(chǎn)生的情況也不同。對(duì)于一定施力方向和一定的產(chǎn)生電荷表面而言，壓電常數(shù)d是一個(gè)常數(shù)。 ，j方向受力時(shí)在i方向上電荷積累的表面密度（即沿i方向的極化強(qiáng)度）； ，沿方向j施加外力時(shí)，單位面積上感受的應(yīng)力； ，壓電常數(shù)，（j方向受力，在i方向產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電常數(shù)）。X0切型石英晶體的壓電常數(shù)矩陣，具體為: 石英晶體只有 和 兩個(gè)獨(dú)立常數(shù)。對(duì)于左

3、旋石英：石英： 和 都是正值，數(shù)值不變。（二）逆壓電效應(yīng) （k=1,2,3;h=1,2,3,4,5,6）式中， 沿h方向的應(yīng)變； 沿k方向施加的電場(chǎng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)。晶體中，哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則此方向上必有逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)得壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)數(shù)值是相等的，而且一一對(duì)應(yīng)。一般情況下，逆壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣是正壓電常數(shù)矩陣d的轉(zhuǎn)置矩陣。壓電常數(shù)的物理意義是： 在“短路條件”下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度?！岸搪窏l件”是指壓電元件的表面電荷一開(kāi)始發(fā)生就被引開(kāi)，因而在晶體變形上不存在“二次效應(yīng)”的理想條件。壓電常數(shù)有時(shí)也稱壓電應(yīng)變常數(shù)。3

4、.壓電材料分類常用的壓電材料有： 壓電晶體、壓電陶瓷、壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體。壓電晶體：石英晶體、水溶性壓電晶體、鈮酸鋰晶體； 石英晶體中x軸常稱為電軸，y軸稱為機(jī)械軸，z軸稱為光軸。 石英晶體沿z軸方向施加外力，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體的主要性能特點(diǎn)是：(1) 壓電常數(shù)小，時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好；(2) 機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，且剛度大，固有頻率高，動(dòng)態(tài)特性好；(3) 居里點(diǎn)573，無(wú)熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。壓電陶瓷：鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷。壓電陶瓷的特點(diǎn)是： 壓電常數(shù)大，靈敏度高；制造工藝成熟，可通過(guò)合理配方和摻雜等人工控制來(lái)達(dá)到所要求的性

5、能； 成形工藝性也好，成本低廉，利于廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷除有壓電性外，還具有熱釋電性。因此它可制作熱電傳感器件而用于紅外探測(cè)器中。 但作壓電器件應(yīng)用時(shí)，這會(huì)給壓電傳感器造成熱干擾，降低穩(wěn)定性。所以，對(duì)高穩(wěn)定性的傳感器，壓電陶瓷的應(yīng)用受到限制。 常用的壓電陶瓷 傳感器技術(shù)中應(yīng)用的壓電陶瓷，按其組成基本元素多少可分為：(1)二元系壓電陶瓷 主要包括鈦酸鋇BaTiO3，鈦酸鉛PbTiO3，鋯鈦酸鉛系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和鈮酸鹽系列KNbO3-PbNb2O3。其中以鈦酸鋇，尤其以鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷應(yīng)用最廣。(2)三元系壓電陶瓷 目前應(yīng)用的PMN，它由鈮鎂酸鉛Pb(Mg1/3Nb2/3

6、)O3鈦酸鉛PbTiO3-鋯鈦酸鉛PbZrO3三成分配比而成。另外還有專門制造耐高溫、高壓和電擊穿性能的鈮錳酸鉛系、鎂碲酸鉛等。(3)綜合性能更為優(yōu)越的四元系壓電陶瓷也已經(jīng)研制成功。壓電薄膜：氧化鋅、硫化鎘、硫化鋅、鈮酸鋰等；壓電半導(dǎo)體：硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘、砷化鎵等。4.壓電元件的結(jié)構(gòu)形式壓電元件有5種基本變形形式： 厚度變形（TE方式）、 長(zhǎng)度變形（LE方式）、 體積變形（VE方式）、 厚度剪切變形、 面剪切變形。 石英晶體沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng)。 壓電片在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，以保證在作用力變化時(shí)，壓電片始終受到壓力，同時(shí)也保證輸出電壓與作用力成線性關(guān)系。這是考慮壓

7、電片加工過(guò)程的結(jié)果。5.壓電傳感器的等效電路可以將壓電式傳感器看作一個(gè)靜電電容器。因此，從性質(zhì)上講，壓電器件實(shí)質(zhì)上又是一個(gè)有源電容器，通常其絕緣電阻 。 式中，S電容器極板面積； h壓電元件厚度； 壓電材料的介電常數(shù)； 真空的介電常數(shù)； 壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)，隨材料 不同而變； 壓電元件的內(nèi)部電容。 由此，可以把壓電式傳感器等效為一個(gè)電荷源和一個(gè)電容的電荷等效電路。 必須指出，上述等效電路及其輸出，只有在壓電器件本身理想絕緣、無(wú)泄漏、輸出端開(kāi)路(即Ra =RL=)條件下才成立。 壓電式傳感器測(cè)試系統(tǒng)的等效電路8.2 測(cè)量電路1.測(cè)量電路 測(cè)量電路：電壓放大器、電荷放大器 （1）電壓放大器 考

8、慮電纜長(zhǎng)度的影響； （2）電荷放大器 不用考慮電纜的影響。單路動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量?jī)陕穭?dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量電壓放大器的簡(jiǎn)化電路圖（1）電壓放大器等效電阻R為Fm作用力的幅值壓電元件所受作用力C=Cc+Ci而等效電容為若壓電元件材料是壓電陶瓷，其壓電系數(shù)為d33，則在外力作用下，壓電元件產(chǎn)生的電壓值為 Um電壓幅值 由圖(b)可得放大器輸入端的電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為Ui的幅值Uim為輸入電壓與作用力之間的相位差為令=R(Ca+Cc+Ci)，為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，并令0=1/，則可得可見(jiàn)，如果/01，即作用力變化頻率與測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大于1時(shí)。前置放大器的輸入電壓Uim與頻率無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為/03，可近似看

9、作輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)。這說(shuō)明，在測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)一定的條件下，壓電式傳感器具有相當(dāng)好的高頻響應(yīng)特性。 但是，當(dāng)被測(cè)動(dòng)態(tài)量變化緩慢，而測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)不大時(shí)，會(huì)造成傳感器靈敏度下降，因而要擴(kuò)大工作頻帶的低頻端，就必須提高測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)。但是靠增大測(cè)量回路的電容來(lái)提高時(shí)間常數(shù)，會(huì)影響傳感器的靈敏度。根據(jù)傳感器電壓靈敏度Ku的定義得因?yàn)镽1，故上式可以近似為可見(jiàn)，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。其輸入內(nèi)阻越大，測(cè)量回路時(shí)間常數(shù)越大，則傳感器低頻響應(yīng)也越好。當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長(zhǎng)度時(shí)Cc將改變，必須重新校正靈敏度值。電壓幅

10、值比和相角頻率比的關(guān)系曲線電荷放大器等效電路（2）電荷放大器 電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開(kāi)環(huán)增益A0足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達(dá)式為： A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF根據(jù)上式畫(huà)出等效電路圖A0CaRaRCUSCUqCF、RF等效到A0的輸入端時(shí)，電容CF將增大(1A0)倍。電導(dǎo)1RF也增大了(1A0)倍。所以圖中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，這就是所謂“密勒效應(yīng)”的結(jié)果。運(yùn)放輸入電壓輸出電壓當(dāng)A0足夠大時(shí),傳感器本身的電容和電纜

11、長(zhǎng)短將不影響電荷放大器的輸出。因此輸出電壓USC只決定于輸入電荷q及反饋回路的參數(shù)CF和RF。由于1RFCF,則若考慮電纜電容Cc，則有可見(jiàn)當(dāng)A0足夠大時(shí)，輸出電壓與A0無(wú)關(guān)，只取決于輸入電荷q和反饋電容CF，改變CF的大小便可得到所需的電壓輸出。 CF一般取值100-104pF。運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)A0對(duì)精度有影響，當(dāng)頻率很高時(shí)，則及由此得A0105。對(duì)線性集成運(yùn)算放大器來(lái)說(shuō)，這一要求是不難達(dá)到的。 例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc=(100pF/m)100m=105pF,當(dāng)要求1%時(shí)，則有則可計(jì)算產(chǎn)生的誤差為當(dāng)工作頻率很低時(shí)，分母中的電導(dǎo)1/Ra+(1+A0)/RF與電納

12、jCaCc(1+A0)CF的值相當(dāng)，電導(dǎo)就不可忽略。此時(shí)A0足夠大，則其幅值為當(dāng)1/ RF = CF時(shí)可見(jiàn)這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓，增益下降3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的下限截止頻率為 可見(jiàn)壓電式傳感器配用電荷放大器時(shí),其低頻幅值誤差和截止頻率只決定于反饋電路的參數(shù)RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。所以當(dāng)給定工作頻帶下限截止頻率fL時(shí),反饋電阻RF值也可確定。如當(dāng)CF=1000pF,fL時(shí),則要求RF109。 USC與q間的相位誤差電荷放大器原理框圖2.外界溫度和濕度瞬變溫度對(duì)傳感器的影響：除引起壓電元件熱釋電效應(yīng)外，還在傳感器內(nèi)部引起溫度梯度，這一方面會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力和寄生熱電輸出；另一

13、方面也改變了預(yù)緊力和傳感器的線性度。因此，在高溫環(huán)境驚醒低電平信號(hào)測(cè)量時(shí)，必須采取以下措施：（1）取用剪切式、隔離基座型結(jié)構(gòu)，或使用時(shí)采用隔離安裝銷。（2）在壓電元件受熱沖擊的一端設(shè)置有熱導(dǎo)率小的材料做成的絕熱片；或采用由大膨脹系統(tǒng)材料，陶瓷及鐵鎳青銅組合材料制成的溫度補(bǔ)償片，以實(shí)現(xiàn)高溫下的結(jié)構(gòu)等膨脹匹配，克服熱力影響（3）采用水流式冷卻裝置環(huán)境濕度主要影響壓電元件的絕緣電阻，使其明顯下降。因此在高濕度環(huán)境中工作的傳感器，必須選用高絕緣材料，并采取防潮密封措施。3.安裝差異和基座應(yīng)變 實(shí)際應(yīng)用中對(duì)壓電傳感器安裝的要求依據(jù)： 傳感器與試件系統(tǒng)的安裝諧振頻率 傳感器本身的固有頻率 傳感器和被測(cè)試件

14、的質(zhì)量（1）保證傳感器的敏感軸向與受力向的一致性不因安裝而遭到破壞，以避免橫向靈敏度的產(chǎn)生。為此，安裝接觸面要求有高的平行度，平直度和低的粗糙度。（2）根據(jù)承載能力和頻響特性所要求安裝諧振頻率，選擇適當(dāng)?shù)陌惭b方式。（3）對(duì)剛度，質(zhì)量和接觸面小的試件，只能用微小型電傳感器測(cè)量。4.噪聲（1）聲噪聲：壓電傳感器在強(qiáng)聲中工作將受到聲波振動(dòng)激勵(lì)而產(chǎn)生寄電信號(hào)輸出，謂之聲噪聲。（2）電纜噪聲：同軸電纜在振動(dòng)或彎曲變形時(shí)電纜屏蔽層，絕緣層和芯線間將引起局部相對(duì)滑移摩擦和分離，而在分離層之間產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電荷干擾，它將混入住信號(hào)中被放大。減小電纜噪聲的方法：一是在使用中固定好傳感器的引出電纜二是選用低噪聲同

15、軸電纜（3）接地回路噪聲：壓電傳感器接入二次測(cè)量線路或儀表而構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)后，由于不同電位處的多接地點(diǎn)，形成了接地回路和回路電流所致。克服途徑：消除接地回路8.3 壓電式傳感器的應(yīng)用1.壓電式傳感器的應(yīng)用 （1）壓電式單向測(cè)力傳感器 （2）壓電式壓力傳感器 （3）壓電式加速度傳感器 （4）壓電式金屬加工切削力測(cè)量 （5）壓電式玻璃破碎報(bào)警器 下圖是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過(guò)d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺

16、寸為81 mm。該傳感器的測(cè)力范圍為050 N，最小分辨率為，固有頻率為5060 kHz，整個(gè)傳感器重10g。（1）壓電式單向測(cè)力傳感器壓電式壓力傳感器（2）壓電式壓力傳感器消除振動(dòng)加速度影響的壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu) 下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并用螺栓加以固定。 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即 F=ma 式中：F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m質(zhì)量塊的質(zhì)量； a加速度。（3）壓電式加速度傳感器 此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生

17、電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為： q=d11F=d11ma 與加速度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖壓電加速度傳感器工作原理圖壓電加速度傳感器的幅值線性度曲線橫向靈敏度圖解壓電加速度傳感器的橫向靈敏度極坐標(biāo)曲線 下圖是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。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(guò)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(hào)輸出，記錄下電信號(hào)的變化便測(cè)得切削力的變化。（4）壓電式金屬加工切削力測(cè)量壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力 BSD2壓電式傳感器是專門用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給