傳感器與檢測技術(shù)-第六章

傳感器與檢測技術(shù)-第六章.第一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。6.1壓電效應(yīng)6.2壓電材料6.3等效電路6.4測量電路6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例6.6影響壓電式傳感器精度的因素分析本章要點下頁上頁返回第二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。6.1壓電效應(yīng)

對于某些晶體或陶瓷：當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。

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壓電式傳感器大都是利用壓電材料的壓電效應(yīng)制成的。在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)制作的傳感器。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的狀態(tài)可分為圖6-1所示的幾種基本形式。下頁上頁返回第四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回圖6-l壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的幾種基本形式第五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回由于壓電晶體的各向異性，并不是所有的壓電晶體都能在這幾種變形狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)。但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。第六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回6.1.1石英晶體的壓電效應(yīng)第七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。圖6-2石英晶體的晶軸X軸——電軸；Y軸——機(jī)械軸；Z軸——光軸；第八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回圖6-3石英晶體壓電效應(yīng)示意圖沿X軸或Y軸作用力，產(chǎn)生壓電效應(yīng)；沿Z軸作用力，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)第九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回圖6-4石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系縱向壓電效應(yīng)（沿X軸作用力）橫向壓電效應(yīng)（沿Y軸作用力）第十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回6.1.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。

第十二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。圖6-4壓電陶瓷的極化過程和壓電原理圖第十三頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回6.1.3壓電方程與壓電系數(shù)↓（d——壓電系數(shù)）（dij——壓電常數(shù)）壓電常數(shù)下標(biāo)的含義：第一個下標(biāo)：表示極化方向，i=1,2,3分別代表X，Y，Z軸；第二個下標(biāo)：表示作用力的方向，

j=1,2,3,4,5,6分別代表沿X軸，Y軸，Z軸方向的單向應(yīng)力和垂直于X軸，Y軸，Z軸平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作用的剪切力；圖6-7剪切力的作用方向第十四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。用矩陣表示：下頁上頁返回晶體在任意受力狀態(tài)下表面電荷密度：第十五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。6.2壓電材料下頁上頁返回對壓電材料的要求：①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)；②機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點、以期望得到寬的工作溫度范圍；⑤時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。第十六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。分類：單晶體

石英（SiO2）：最早使用，天然晶體，穩(wěn)定，高強(qiáng)度，溫度穩(wěn)定性好，但壓電常數(shù)??；

水溶性壓電晶體（酒石酸鉀鈉、硫酸鋰等）：壓電常數(shù)大，但受溫、濕度影響大；

鈮酸鋰晶體：耐高溫、壓電性能和時間穩(wěn)定性好，但質(zhì)脆，熱沖擊性差；下頁上頁返回第十七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。多晶體（壓電陶瓷）

鈦酸鋇壓電陶瓷：壓電常數(shù)高，價格便宜，但機(jī)械強(qiáng)度較差；

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）：性能教穩(wěn)定，壓電常數(shù)較高；

鈮酸鹽系壓電陶瓷：居里點較高和機(jī)械強(qiáng)度較高；

鈮鎂酸鉛壓電陶瓷：居里點和壓電常數(shù)較高，可在高溫及高壓下工作。下頁上頁返回有機(jī)壓電材料（壓電橡膠、塑料等）柔軟、不易破碎、防水，可大量生產(chǎn)，面積較大，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬。第十八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回表6-1常用壓電材料性能參數(shù)第十九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。6.3等效電路壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個電荷源。而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當(dāng)于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：

式中s--極板面積

r--壓電材料相對介電常數(shù)

0--真空介電常數(shù)δ--壓電元件厚度下頁上頁返回第二十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。當(dāng)壓電元件受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大)U為：這樣，可以把壓電元件等效為一個電荷源Q和一個電容器Ca的等效電路，如圖6-8(a)中的虛線方框；同時也等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯(lián)的等效電路，如圖6-8的虛線方框所示。其中Ra為壓電元件的漏電阻。

下頁上頁返回第二十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。圖6-8壓電式傳感器測試系統(tǒng)的等效電路下頁上頁返回第二十二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。

根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有兩種形式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（壓電元件的輸出電壓）成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。6.4測量電路下頁上頁返回第二十三頁，編輯于星期六：十一點四十八分。電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進(jìn)行適當(dāng)放大．因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器。圖6-9是電壓放大器的簡化電路圖。下頁上頁返回6.4.1電壓放大器第二十四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。圖6-9電壓放大器的簡化電路圖下頁上頁返回第二十五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回電壓輸出型壓電傳感器測量電路第二十六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。

由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測量的電荷放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊測量放大器。下頁上頁返回6.4.2電荷放大器第二十七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回圖6-11電荷放大器等效電路第二十八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。圖6-12電荷放大器原理框圖下頁上頁返回第二十九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回電荷輸出型壓電傳感器測量電路第三十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例

壓電元件是一種典型的力敏感元件。具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏度和信嗓比高等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。在檢測技術(shù)中，常用來測量力和加速度等。它的主要缺點是無靜態(tài)輸出，要求有很高的輸出阻抗，且一些壓電材料的工作溫度不高。

下頁上頁返回第三十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回圖6-13壓電式單向測力傳感器

第三十二頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回圖6-14壓電式壓力傳感器

第三十三頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回圖6-15消除振動加速度影響的壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)

第三十四頁，編輯于星期六：十一點四十八分。下頁上頁返回圖6-16壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖第三十五頁，編輯于星期六：十一點四十八分。第三十六頁，編輯于星期六：十一點四十八分。第三十七頁，編輯于星期六：十一點四十八分。第三十八頁，編輯于星期六：十一點四十八分。第三十九頁，編輯于星期六：十一點四十八分。6.6.1非線性

壓電傳感器的幅值線性度是指被測物理量(如力、壓力、加速度等)的增加，其靈敏度的變化程度。

6.6.2橫向靈敏度壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動時的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示，稱為橫向靈敏度比。6.6影響壓電式傳感器精度的因素分析下頁上頁返回第四十頁，編輯于星期六：十一點四十八分。6.6.3環(huán)境溫度的影響

環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化，壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當(dāng)溫度低于400℃時，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。6.6.4濕度的影響環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會減小，低頻響應(yīng)變壞。下頁上頁返回第四十一頁，編輯于星期六：十一點四十八分。6.6.5電纜噪聲為了減小這種噪聲。可使用特制的低噪聲電纜，同時將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對運動。6.6.6接地回路噪聲在測試系統(tǒng)中接有多種測量儀器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地點又有電位差，這便在測量系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。防止這種噪聲的有效辦法是整個測量系統(tǒng)在一點接地。而且選擇指示器的輸入端為接