力學(xué)量傳感器-電子科技大學(xué)

力學(xué)量傳感器-電子科技大學(xué)第一頁，共44頁。目錄4.1壓電式傳感器的工作原理4.2壓電材料4.3壓電式傳感器的等效電路4.4壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路4.5壓電式加速度傳感器4.6壓電式測(cè)力傳感器2第二頁，共44頁。概念：當(dāng)某些材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)。而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為壓電材料或壓電元件。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等4.1壓電式傳感器的工作原理壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。3第三頁，共44頁。特點(diǎn)：Ⅰ當(dāng)某些材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；Ⅱ若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)；Ⅲ晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比；Ⅳ如對(duì)晶體施加一負(fù)變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)4第四頁，共44頁。天然結(jié)構(gòu)的石英晶體，它是個(gè)六角形晶柱。在直角坐標(biāo)系中．z軸表示其縱向軸，稱為光軸；x軸平行于正六面體的棱線，稱為電軸；y軸垂直于正六面體棱面，稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸(x袖)方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；而把沿機(jī)械軸(y軸)方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”；在光軸(z軸)方向受力時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)5第五頁，共44頁。產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因：(1)x軸上受力

如果在x軸方向壓縮，如圖7—4(b)所示，則硅離子1就擠入氧離子2和6之間，而氧離子4就擠入硅離子3和5之間。結(jié)果在表面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷、而在表面B呈現(xiàn)正電荷。如果所受的力為拉伸，則硅離子1和氧離子4向外移，在表面A和B上的電荷符號(hào)就與前者正好相反。6第六頁，共44頁。產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因：(2)y軸上受力如果沿y軸方向上壓縮，如圖7—4(c)所示，硅離子3和氧離子2以及硅離子5和氧離子6都向內(nèi)移動(dòng)同一數(shù)值，故在電極C和D上仍不呈現(xiàn)電荷，而由于相對(duì)把硅離子l和氧離子4向外擠，則在A和B表面上分別呈現(xiàn)正電荷與負(fù)電荷。若受拉力，則在表面A和B上電荷符號(hào)與前者相反。7第七頁，共44頁。產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原因：（3）在z軸方向受力時(shí)在z軸方向受力時(shí)，由于硅離和氧離于是對(duì)稱平移、故在表面上沒有電荷呈現(xiàn)，因而沒有壓電效應(yīng)。8第八頁，共44頁。壓電元件在受到力作用時(shí)，就在相應(yīng)的表面上產(chǎn)生表面電荷。其計(jì)算公式如下其中第一個(gè)角注i表示晶體的極化方向。當(dāng)產(chǎn)生電荷的表面垂直于x袖(y軸或z鈾)時(shí)，記作i＝1(或2或3)。第二個(gè)下角注j＝1或2，3和4，5，6，分別表示在沿x軸、y軸、z軸方向作用的單向應(yīng)力和在垂直于x軸、y軸、z軸的平面內(nèi)(即yz平面、xz平面、xy平面)作用的剪切力。單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正而壓應(yīng)力為負(fù)；剪切力的正號(hào)規(guī)定為自旋轉(zhuǎn)軸的正向看去使其I、II象限的對(duì)角線伸長(zhǎng)。壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算9第九頁，共44頁。10第十頁，共44頁。由壓電常數(shù)矩陣還可以看出，對(duì)能量轉(zhuǎn)換有意義的石英晶體變形方式有：厚度變形〔簡(jiǎn)稱為TE方式)，如圖(a)所示。長(zhǎng)度變形(簡(jiǎn)稱LE方式）。如圖(b)所示，面剪切變形(簡(jiǎn)稱FS方式)。如圖(d)所示。厚度的切變形(簡(jiǎn)稱TS方式)。如圖(c)所示。彎曲變形(簡(jiǎn)稱BS方式)。體積變形(簡(jiǎn)稱VE方式)。11第十一頁，共44頁。選用壓電材料應(yīng)考慮以下幾方面：轉(zhuǎn)換性能：具有較大的壓電常數(shù)；機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的強(qiáng)度高、剛度大、性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；電性能；希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性；溫度和濕度穩(wěn)定性要好，具有較高的居里點(diǎn)，以期得到較寬的工作溫度范圍；時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。4.2壓電材料概念：壓電材料有三類：壓電晶體、壓電陶瓷、有機(jī)壓電材料12第十二頁，共44頁。石英。它是一種天然晶體，現(xiàn)在已有高化學(xué)純度和結(jié)構(gòu)完善的人工合成的石英晶體，壓電系數(shù)d11＝2．31×10-12C／N．在幾百度的溫度范圍內(nèi)，壓電系數(shù)不隨溫度而變。水熔性壓電晶體。屬于單斜晶系的有酒石酸鉀鈉，酒石酸乙烯二銨(簡(jiǎn)稱EDT)，酒石酸二鉀(簡(jiǎn)稱DKT)，硫酸理屬于正方晶系的有磷酸二氫鉀(簡(jiǎn)稱KDP)，磷酸二氫氨(N簡(jiǎn)稱ADP)，砷酸二氫鉀(簡(jiǎn)稱KDA)．砷酸二氫氨(簡(jiǎn)稱ADA)。壓電晶體13第十三頁，共44頁。鈦酸鋇(BaTiO3)壓電陶瓷。具有比較高的壓電系效(d33＝107×10-12C／N)和介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度不及石英。鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)．壓電系數(shù)較高(d33＝(200-500)×-12C／N)，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)隨溫度、時(shí)間等外界條件的變化小，在鋯鈦酸鉛的基方中添加一二種微量元素，如La，Nb，Sb，Sn，Mn，W等，可以獲得不同性能的PZT材料。鈮酸鹽系壓電陶瓷。這一系中是以鐵電體鈮酸鉀和鈮酸鉛為基礎(chǔ)的。鈮酸鉛的介電常數(shù)低。在鈮酸鉛中用鋇或鍶替代一部分鉛．可引起性能的根本變化，從而得到具有較高機(jī)械品質(zhì)因素Qm的鈮酸鹽壓電陶瓷。鈮酸鉀是通過熱壓過程制成的，特點(diǎn)是適用于作10-40MHz的高頻換能器。鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)．具有較高的壓電系數(shù)(d33＝800-900×10-12C／N)，在壓力大至700kg／cm2時(shí)仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。壓電陶瓷14第十四頁，共44頁。壓電陶瓷產(chǎn)生壓電效應(yīng)的原理極化前，存在許多自發(fā)極化的電疇極化中，電疇自發(fā)極化方向轉(zhuǎn)到與外加電場(chǎng)方向一致極化后，有剩余極化強(qiáng)度問題：未受壓前，為何不顯示帶電特性？受壓后，為何顯示帶電特性？15第十五頁，共44頁。如果在壓電陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮變形，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離變小，束縛電荷之間距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度也變小，因此，原來吸附在極板上的自由電荷，有一部分被釋放而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大、因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由于機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者說由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象．就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。放電電荷的多少與外力的大小成比例關(guān)系機(jī)理16第十六頁，共44頁。17第十七頁，共44頁。4.3壓電式傳感器的等效電路可等效為兩種形式：電壓源電荷源電荷等效電路電壓等效電路18第十八頁，共44頁。CC:連接電纜的等效電容Ri:放大器的輸入電阻Ci:輸入電容Ca:是傳感器的電容Ra:是傳感器的漏電阻。19第十九頁，共44頁。并聯(lián)Q`＝2Q，U`＝U，C`＝2C串聯(lián)Q`＝Q，U`＝2U，C`＝C/220第二十頁，共44頁。在壓電式傳感器中，壓電材料一般不用一片，而常常采用兩片(或是兩片以上)粘結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有兩種。在這兩種接法中，并聯(lián)接法輸出電荷大、本身電容大、時(shí)間常數(shù)大（？？？），適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方，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(hào)，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方。21第二十一頁，共44頁。4.4壓電式傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路

壓電式傳感器要求負(fù)載電阻Ri必須有很大的數(shù)值，才能使測(cè)量誤差小到一定數(shù)值以內(nèi)。因此常在壓電式傳感器輸出端后面，先接入一個(gè)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。壓電式傳感器的測(cè)量電路關(guān)鍵在于高阻抗的前置放大器。

前置放大器有兩個(gè)作用，第一是把壓電式傳感器的微弱信號(hào)放大；第二是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。壓電式傳感器的輸出可以是電壓，也可以是電荷，所以前置放大器也有兩種。22第二十二頁，共44頁。電壓放大器(阻抗變換器）23第二十三頁，共44頁。寫成復(fù)數(shù)形式理想情況下，R很大令Uim:實(shí)際輸入電壓Uam:實(shí)際輸入電壓的輻值24第二十四頁，共44頁。1.當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力(ω＝0)時(shí)，則前置放大器的輸入電壓等于零。因?yàn)殡姾删蜁?huì)通過放大器的輸入電阻和傳感器本身的泄漏電阻漏掉。這也就從原理上決定了壓電式傳感器不能測(cè)量靜態(tài)物理量；2.當(dāng)ω/ω1》1時(shí)，即ωτ》1時(shí)，也就是作用力的變化頻率與測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)的乘積遠(yuǎn)大子1時(shí)，前置放大器的輸人電壓Uim隨頻率的變化不大。當(dāng)ω/ω1＞3時(shí)，可近似看作輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)。這說明，壓電式傳感器的高頻響應(yīng)是相當(dāng)好的。它是壓電式傳感器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。結(jié)論：UimUam___25第二十五頁，共44頁。結(jié)論:為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍．就必須盡量提高回路的時(shí)間常數(shù)。(時(shí)間常數(shù)與哪些因素有關(guān)?)但這不能靠增加測(cè)量回路的電容量來提高時(shí)間常數(shù)，因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度Sv是與電容成反比結(jié)果是:為了擴(kuò)大傳感器的低頻響應(yīng)范圍．就必須增大輸入阻抗Ri為此，切實(shí)可行的辦法是提高測(cè)量回路的電阻。26第二十六頁，共44頁。為了滿足阻抗匹配要求，壓電式傳感器般都采用專門的前置放大器。但是，壓電式傳感器在與阻抗變換器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低解決電纜問題的辦法是將放大器裝入傳感器之中，組成一體化傳感器。27第二十七頁，共44頁。內(nèi)部裝有超小型阻抗變換器的壓電式加速度傳感器原理：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(gè)超小型靜電放大器(阻抗變換器)。這樣，引線非常短，引線電容幾平等于零，就避免了長(zhǎng)電纜對(duì)傳感器靈敏度的影響。放大器的輸入端可以得到較大的電壓信號(hào)．這就彌補(bǔ)了石英晶體靈敏度低的缺陷。28第二十八頁，共44頁。

優(yōu)點(diǎn)(2)：最為突出的是這種傳感器能直接輸出一個(gè)高電平、低阻抗的信號(hào)〔輸出電壓可達(dá)幾伏)，它可以用普通的同軸電纜輸出信號(hào)，一般不需要再附加放大器，只有在測(cè)量低電平振動(dòng)時(shí)，才需要再放大，并可很容易直接輸至示波器、帶式記錄器、檢流計(jì)和其它普通的指示儀表。另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，由于采用石英晶片作壓電元件，因此在很寬的溫度范圍內(nèi)靈敏度十分穩(wěn)定，而且經(jīng)長(zhǎng)期使用，性能也幾乎不變。29第二十九頁，共44頁。電荷放大器電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。它能將高內(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，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)1010一1012Ω，輸出阻抗小于100Ω．使用電荷放大器突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長(zhǎng)度無關(guān)。30第三十頁，共44頁。電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的高增益放大器圖中k是放大器的開環(huán)增益，(一k)表示放大器的輸出與輸入反相，若放大器的開環(huán)增益足夠高，則運(yùn)算放大器的輸入端a點(diǎn)的電位接近“地”電位。由于放大器的輸入級(jí)采用了場(chǎng)效應(yīng)晶體管，因此放大器的輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，電荷Q只對(duì)反饋電容Cf充電，充電電壓接近等于放大器的輸出電壓，即:U0≈ucf=-Q/Cf式中：U0一一放大器輸出電壓；ucf一反饋電容兩端的電壓。31第三十一頁，共44頁。注意：1.Cf容量是做成可調(diào)的．范圍一般在100一10000PF之間。2.為了減小零漂，使電荷放大器工作穩(wěn)定，一般在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大電阻R(約108一1010Ω)，其功用是提供直流反饋。32第三十二頁，共44頁。4.5壓電式加速度傳感器1工作原理壓縮式壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖壓電元件一般由兩片壓電片組成。在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線，或在兩個(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬片上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊，然后用一硬彈簧或螺栓、螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。33第三十三頁，共44頁。靈敏度提高傳感器的靈敏度方法:增大m（會(huì)影響試件的振動(dòng)）增加壓電片的數(shù)目采用合理的連接34第三十四頁，共44頁。壓電式加速度傳感器，可以簡(jiǎn)化成由集中質(zhì)量M、彈簧和阻尼器組成的二階單自由度系統(tǒng)式中：x——運(yùn)動(dòng)體的絕對(duì)位移；xm——質(zhì)量塊的絕對(duì)位移。為此．實(shí)際測(cè)量的振動(dòng)頻率上限一般只取傳感器固有頻率的1／5—1／3左右，也就是說工作在頻率特性的平直段。在這一范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度基本上不隨頻率而變化。即使限制了它的測(cè)量頻率范圍，但由于傳感器的固有頻率相當(dāng)高(一般可達(dá)30kHz甚至更高)，因此，它的測(cè)量頻率的上限仍可高達(dá)幾千赫茲，甚至十幾千赫茲。頻率特性35第三十五頁，共44頁。壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)壓電元件的受力和變形常見的有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形和厚度剪切變形四種。按以上四種變形方式也應(yīng)當(dāng)有相應(yīng)的四種結(jié)構(gòu)的傳感器，但目前最常見的是基于厚度變形的壓縮式和基于剪切變形的剪切式兩種，前者使用更為普遍。36第三十六頁，共44頁。(a)為外圓配合壓縮式。它通過硬彈簧對(duì)壓電元件施加預(yù)壓力。這種型式的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且靈敏度高，但對(duì)環(huán)境的影響(如聲學(xué)噪聲、基座應(yīng)變、瞬時(shí)溫度沖擊等)比較敏感這是由于其外殼本身就是彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)中的一個(gè)彈簧，它與起彈簧作用的壓電元件并聯(lián)，由于殼體和壓電元件之間這種機(jī)械上的并聯(lián)連接，因此，殼體內(nèi)的任何變化都將影響到傳感器的彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)．使傳感器靈敏度發(fā)生變化。1---基座2---壓電晶片3---質(zhì)量塊4---彈簧片5---電纜37第三十七頁，共44頁。(b)所示為中心配合壓縮式。它具有外因配合壓縮式的優(yōu)點(diǎn)、并克服了對(duì)環(huán)境敏感的缺點(diǎn)。這是因?yàn)閺椈伞①|(zhì)量塊和壓電元件用一根中心核牢固地固定在厚基座上，而不與外殼直接接觸，外殼僅起保護(hù)作用。但這種結(jié)構(gòu)仍然要受到安裝表面應(yīng)變的影響。1---基座2---壓電晶片3---質(zhì)量塊4---彈簧片5---電纜38第三十八頁，共44頁。(c)是倒裝中心配合壓縮式，由于中