魯科版-選修3-2-第5章 傳感器及其應(yīng)用-第2節(jié) 常見(jiàn)傳感器的工作原理 全國(guó)一等獎(jiǎng)

壓電式傳感器壓電式傳感器將將壓電元件承受的作用力轉(zhuǎn)換成壓電元件表面所帶的電荷，這種特性稱為壓電元件的壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的壓電元件多是電介質(zhì)。壓電效應(yīng)是可逆的，當(dāng)沿著一定的方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施加作用力，使其產(chǎn)生變形時(shí)，則在固定的表面上產(chǎn)生電荷。當(dāng)外力去掉后，元件又恢復(fù)不帶電狀態(tài)，此為正向壓電效應(yīng)。在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定的方向上產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，變形又隨之消失，此為逆壓電效應(yīng)。可見(jiàn)，壓電元件的壓電效應(yīng)具有方向性和還原性。壓電傳感器是典型的自發(fā)電式傳感器，它還具有一定的可逆性，由于其體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，固釘頻率高，因而得到了廣泛的應(yīng)用。如壓電電源、煤氣灶的點(diǎn)火裝置、超聲波探頭，還有治療骨折的生物壓電傳感器等。壓電元件是一種典型的力敏元件，可以測(cè)量最終能變換成力的物理量，如加速度、機(jī)械沖擊、振動(dòng)等。壓電傳感器無(wú)靜態(tài)輸出，只具有動(dòng)態(tài)測(cè)量的特點(diǎn)，是一種廣泛應(yīng)用的傳感器。一、壓電元件與壓電效應(yīng)一）壓電元件具有壓電效應(yīng)的壓電元件它們的分了空間結(jié)構(gòu)排列相當(dāng)規(guī)則，這類(lèi)材料是晶體，有單晶體與多晶體之分。1．單晶體常用的單晶體壓電村料是石英(SiO2，其突出的優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，此外還具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，機(jī)械強(qiáng)度高(可以測(cè)旦高達(dá)108Pa的壓力)，線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。但它的壓電常數(shù)小，靈敏度低，適于測(cè)量較大的作用力。除石英材料外，在自然界中還發(fā)現(xiàn)了20多種單晶體材料都具有壓電效應(yīng)。1．多晶體壓電陶瓷是常用的多晶體壓電材料，其中有鈦酸鋇(BaTlO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)和鈮鎂酸鉛(PMN)。PZT是工業(yè)中應(yīng)用較多的壓電材料，有較高的壓電常數(shù)，故靈敏度高。3．1．2壓電效應(yīng)下面以單晶Si02(石英晶體)為例，介紹壓電效應(yīng)及產(chǎn)牛原因。圖3—1是一個(gè)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體示意圖。它是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中可以把它用三根相互垂直的軌來(lái)表示，其中縱向軸Z-Z稱為光軸，經(jīng)過(guò)六面體棱線并垂直于光軸的x—x軸稱為電軸，與電軸和光軸垂直的y—y軸稱為機(jī)械軸。通常把沿x—X軸施加作用力產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿y—y軸施加作用力產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿Z—z軸施加作用力，在壓電元件的任何表面均無(wú)電荷產(chǎn)生。從晶體上沿著軸線切下的一片壓電元件稱為壓電晶片，當(dāng)晶片在沿X軸方向有作用力Fx作出時(shí)，會(huì)在與x軸方間垂直的表面產(chǎn)生電荷，其大小為qx＝dFx(電荷極性由力的方向決定)當(dāng)晶片在沿y軸方向有作用力Fy作甩時(shí)，會(huì)在與y軸方向垂真的表面產(chǎn)生電荷，其大小為qy＝—dFy阿a/b(電荷極性內(nèi)力的方向決定)從以上兩式可以看出，縱向壓電效應(yīng)與元件尺寸無(wú)關(guān)，而橫向壓電效應(yīng)與元件尺寸有關(guān)；且從式中的負(fù)號(hào)可以看出，兩者產(chǎn)生電荷的極性相反。綜上所述，晶體切片上電荷的符號(hào)與受力方向的關(guān)系可用圖3—2表示。 當(dāng)壓電元件上作用力消失時(shí)，電荷亦隨之消失。在壓電材料的兩種電荷產(chǎn)生的極面上如果加以交流電壓，那么壓電元件將會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上具有伸縮現(xiàn)象稱為“電致伸縮現(xiàn)象”。這種現(xiàn)象與壓電效應(yīng)是相反的，故又稱“逆壓電效應(yīng)”。二）壓電傳感器的結(jié)構(gòu)壓電傳感器的被測(cè)量通常是作用力或能以某種途徑將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成力的物理量。出于力的作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷，只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗。這實(shí)際上是不可能的，因此壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量回路一定的電流，故適于動(dòng)態(tài)測(cè)量。載壓電傳感器中，壓電材料通常采用兩片或兩兒以上，黏合在一起。因?yàn)殡姾傻臉O性關(guān)系，壓電元件有串聯(lián)和并聯(lián)兩種接法．如圖3—3所示。圖(a)為并聯(lián)，適用于測(cè)量緩慢變化的信號(hào)，并以電荷為輸出：圖(b)為串聯(lián)，適用于測(cè)量電路有高輸入阻抗，并以電壓為輸出量。壓電元