第五章 壓電式傳感器1

第五章壓電式傳感器

*原理

壓電式傳感器是利用壓電效應(yīng)把受力的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化信號。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。

*主要內(nèi)容：一壓電效應(yīng)與壓電材料二壓電傳感器等效電路三壓電傳感器測量電路*一、壓電效應(yīng)

和壓電材料1壓電效應(yīng)

對某些材料沿一定方向施力而使其變形，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在其兩表面將產(chǎn)生極性相反的電荷，當外力去掉后，表面又回到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象就是壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)是可逆的，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會變形，這稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。

壓電介質(zhì)正壓電效應(yīng)Q(E)電能T(S)機械能逆壓電效應(yīng)*2、壓電材料簡介壓電常數(shù)彈性常數(shù)（剛度）介電常數(shù)機電耦合系數(shù)電阻居里點壓電效應(yīng)強弱：靈敏度固有頻率、動態(tài)特性固有電容、頻率下限機電轉(zhuǎn)換效率泄漏電荷、改善低頻特性喪失壓電性的溫度*常用壓電材料聚二氟乙烯易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣易于大量生產(chǎn)、面積大、柔軟不易破碎，可制成陣列器件。用于微壓和機器人觸覺。列器件。用于微壓和機器人觸覺。*一、壓電效應(yīng)和壓電材料

3.石英晶體結(jié)晶形狀是六角晶柱，兩端呈六棱錐形狀。晶體各個方向的特性是不同的。我們用直角坐標三個軸來表示：

縱軸線z

光軸穿過棱線且z軸的x軸

電軸棱面的y軸

力軸（機械軸）

光軸電軸機械軸*3.1石英晶體的壓電特性*3.2石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因當作用力為0時，正、負離子（即和）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。

P1＋P2＋P3＝0(P1+P2+P3)X〈0(P1+P2+P3)X〉0*x軸方向受力：壓力x軸方向受力：拉力y軸方向受力：壓力y軸方向受力：拉力縱壓電效應(yīng)橫壓電效應(yīng)力不同力不同面不同面不同*縱向壓電效應(yīng)：沿電軸(x軸)施加作用力，電荷出現(xiàn)在與軸相垂直的表面上。

橫向壓電效應(yīng)：沿機械軸(y軸)施加作用力，電荷仍出現(xiàn)在與x軸相垂直的表面上。*

壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng),是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。4.壓電陶瓷*在電場作用下，電介質(zhì)中束縛電荷發(fā)生位移或按電場方向轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，稱為極化。在沒有外電場作用下，存在由于電偶極子有序排列而產(chǎn)生的極化，稱為自發(fā)極化。電介質(zhì)在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化的性質(zhì)稱為鐵電性。具有鐵電性的電介質(zhì)稱為鐵電體。鐵電體內(nèi)部可分為若干個小區(qū)域，自發(fā)極性方向一致的區(qū)域稱為鐵電疇，簡稱電疇。*加力F：放電現(xiàn)象取消F：充電現(xiàn)象機械能

電能正壓電效應(yīng)：－+*電場方向極化方向–

–

–

–

–+

++++–

–

–

–

–+

++++Ｅ壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)同向：伸長現(xiàn)象反向：縮短現(xiàn)象電能機械能*壓電式傳感器是典型的有源傳感器。有源傳感器無源傳感器換能器能量控制型非電能量電能量(必須具有輔助電源)電阻式、電容式、電感式電橋和諧振電路等電路測量電壓測量和放大電路*二壓電傳感器的等效電路1、壓電晶片的連接方式（1）并聯(lián)：（2）串聯(lián)：*二壓電傳感器的等效電路2等效電路當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應(yīng)力的作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個靜電發(fā)生器，如圖(a)。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如圖(b)。其電容量為

＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體(b)(a)

壓電傳感器的等效電路*二壓電傳感器的等效電路2等效電路當兩極板聚集異性電荷時，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為qCeUU＝q/Ceq＝UCeCe（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路壓電傳感器等效原理因此，壓電傳感器可等效為電壓源U和一個電容器Ce的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ce的并聯(lián)電路，如圖(b)。*傳感器內(nèi)部信號電荷無“漏損”，外電路負載無窮大時，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長期保存，否則電路將以某時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。事實上，傳感器內(nèi)部不可能沒有泄漏，外電路負載也不可能無窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測量。如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時,則應(yīng)考慮連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。壓電傳感器的完整等效電路如下。*壓電傳感器在實際測量系統(tǒng)中的等效電路Ce傳感器的固有電容Ci

前置放大器輸入電容Cc

連線電容Rd傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻電壓放大電荷放大*

三

測量電路

壓電式傳感器的前置放大器有兩個作用：

阻抗變換放大前置放大器形式：電壓放大器，如圖（1）電荷放大器，如圖（2）

－ACeRdRiCiCcUSCU(1)q－A0CeU∑USCiRdCFRF（2）*圖（b）中，F(xiàn)m——作用力的幅值設(shè)受作用力C=Cc+Ci則壓電元件產(chǎn)生的電壓值為－ACeRdRiCiCcUSCU(a)－ACeCRUiUSC(b)U

1、電壓放大器

*由圖(b)可得放大器輸入端的電壓Ui，其復數(shù)形式為－ACeCRUiUSC(b)UUi的幅值Uim為輸入電壓與作用力之間的相位差φ為*1.1令τ=R(Ce+Cc+Ci)，τ為測量回路的時間常數(shù)，

令ω0=1/τ，則可得結(jié)論：

如果ω/ω0>>1，一般認為ω/ω0≥3，可近似看作輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。這說明，壓電式傳感器具有相當好的高頻響應(yīng)特性。（ω/ω0>>1）*1.2高Ri前置放大器

要擴大工作頻帶的低頻端，就必須提高測量回路的時間常數(shù)τ。但是靠增大測量回路的電容來提高時間常數(shù)，會影響輸出，即傳感器的靈敏度。可見，Ku與回路電容成反比，增加回路電容必然使Ku下降。當改變連接傳感器與前置放大器的將改變，必須重新校正靈敏度值。電壓放大器的輸出受電纜長度為此常將Ri很大的前置放大器接入回路。*

2、電荷放大器電荷放大器是一個具有深度負反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開環(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有分流，運算電流僅流入反饋回路CF與RF。由圖可知i的表達式為：

電荷放大器原理電路圖q－A0CeU∑USCiRdCFRF*根據(jù)上式畫出等效電路圖－A0CcR’C’USCU∑CiCeU等效變換圖中C?=(1＋A0)CF；1/R?=(1＋A0)1／RF，q－A0CeR’C’USCU∑Ci*當A0足夠大且頻率較高時,則可見，傳感器本身的電容和電纜長短不影響電荷放大器的輸出，輸出電壓只取決于輸入電荷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。對比電壓放大電纜長短不影響電荷放大器的輸出電荷放大器*2.1下限截止頻率

當工作頻率ω很低時，分母中的電導[1+A0)/RF]與電納jω[Ce＋Cc＋(1+A0)CF]的值相當，電導就不可忽略。此時A0足夠大，則

增益下降3dB時對應(yīng)的下限截止頻率為

*可見壓電式傳感器配用電荷放大器時,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。所以當給定工作頻帶下限截止頻率fL時,反饋電阻RF值也可確定。如當CF=1000pF,fL=0.16Hz時,則要求RF＞109Ω。電壓放大器和電荷放大器比較：電荷放大器電路復雜，價格昂貴，電壓放大器反之；但電壓放大器下限頻率較高，靈敏度與電纜分布電容有關(guān)，選用時宜綜合考慮。

*總結(jié)壓電效應(yīng)，石英晶體的縱向、橫向壓電效應(yīng)等效電路*總結(jié)理想情況下，前置放大器的輸入電壓：實際前置放大器的輸入電壓：實際與理想輸入電之比：*總結(jié)理想下，電荷放大器輸出：實際下，電荷放大器輸出：*思考題設(shè)電壓前置放大器測量電路的總電阻，總電容為C=1000pF,求幅值誤差小于2%時，其使用的最低頻率范圍。*第三節(jié)壓電傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動等許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感器、振動傳感器等等。一、壓電式測力傳感器

壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換的傳感器。目前，測力傳感器已組成各種錘頭型測力錘，可測量動態(tài)力、準靜態(tài)力和沖擊力等。壓電式力傳感器外形圖*壓電式力傳感器結(jié)構(gòu)傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1～0.5mm，外力作用使它產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。利用其縱向壓電效應(yīng)，通過d11實現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。*二、壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器主要用于各種機械振動的測量。壓電式加速度傳感器外形圖*壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力F的作用，產(chǎn)生電荷。

q=d11F=d11ma*通過彈性膜、盒等，把壓力收集，轉(zhuǎn)換成力，再傳遞給壓電元件。為保證靜態(tài)特性及其穩(wěn)定性，通常多采用石英晶體作壓電元件。引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導電片p三、壓電式壓力傳感器*例1：交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以判定車速、載荷分布、車型等。*將兩根高分子壓電電纜相距若干米，平行埋設(shè)于柏油公路的路面下約5cm，可以用來測量車速及汽車的載重量，并根據(jù)存儲在計算機內(nèi)部的檔案數(shù)據(jù)，判定汽車的車型。*例2：汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體。*例3：壓電式玻璃破碎報警器使用時，用瞬干膠將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q

，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。*帶通濾波使玻璃振動頻率范圍內(nèi)的輸出電壓信號通過，其它頻段的信號濾除。比較器作用是當傳感器輸出信號高于設(shè)定的閾值時,輸出報警信號,驅(qū)動報警執(zhí)行機構(gòu)工作。如進行聲光報警。*例4：在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力*

測量時將心音傳感器底座用橡皮膏與人體體表粘結(jié)，傳感器感受與人體體表相同頻率的振動，質(zhì)量塊便有正比于加速度的交變力作用在壓電晶體上，壓電晶體便產(chǎn)生電荷。心音是一種生物機械振動現(xiàn)象，加速度型心音傳感器是將一個質(zhì)量塊以一定的預應(yīng)力安裝在雙壓電晶體上，壓電晶體和導線都用導電膠粘結(jié)在底座上。例5：加速度型心音傳感器*例6：壓電式血壓傳感器例7：指套式電子血壓計*例8：微重力壓電晶體生物傳感器石英晶體的諧振頻率極大地依賴于晶體以及涂層的組合質(zhì)量。石英傳感器，其表面吸附的被分析物質(zhì)而引起的諧振頻率變化關(guān)系為：利用這一原理可對溶液中許多化合物，通過電極上的電解沉淀進行測量，例如監(jiān)測微生物的生長率，該方法當濃度在范圍內(nèi)，有很好