現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)電壓式傳感器

現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)電壓式傳感器第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

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)，壓電效應(yīng)是可逆的。因此，壓電式傳感器是一種典型的“雙向傳感器”。壓電式傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、質(zhì)量輕、測(cè)量范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn)。因此在壓力沖擊和振動(dòng)等動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試中，是主要的傳感器品種，它可以把加速度、壓力、位移、溫度、濕度等許多非電量轉(zhuǎn)換為電量。壓電轉(zhuǎn)換元件的主要缺點(diǎn)是無(wú)靜態(tài)輸出，阻抗高，需要低電容的低噪聲電纜，很多壓電材料的工作溫度只有左右。第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、壓電效應(yīng)（一）壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)的表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，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，上述這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)時(shí)，這些電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)，也稱為電致伸縮效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，常用壓電材料如天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷等。第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三（二）石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體是最常用的壓電晶體之一，它是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中可以把它用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸z稱光軸；經(jīng)過(guò)正六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸；與z軸和x軸同時(shí)垂直的y軸(垂直于正六面體的棱面)稱為機(jī)械軸。將沿電軸x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)”，而沿光軸z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖8-1石英晶體的外形與晶軸第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

當(dāng)晶片在沿x軸的方向上受到壓縮應(yīng)力作用時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶片的線性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度與應(yīng)力成正比，即：

式中，為沿晶軸x方向施加的壓縮力；為壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)壓電系數(shù)也不同，石英晶體的；l、b

分別為石英晶片的長(zhǎng)度和寬度。第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

壓電系數(shù)的下標(biāo)mn的意義是：m表示產(chǎn)生電荷的面的軸向，n表示施加作用力的軸向。在石英晶體中，下標(biāo)1對(duì)應(yīng)x軸，2對(duì)應(yīng)y軸，3對(duì)應(yīng)z軸。 極化強(qiáng)度等于晶片表面的電荷密度，即： 式中，為垂直于x軸平面上的電荷。

把值代入得：第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

由上式可以看出，當(dāng)晶片受到x向的壓力作用時(shí)，與作用力成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。 其極間電壓為：式中，—電極面間電容，

S—極板面積，單位為；

h—晶片厚度，單位為m；

—壓電晶體的介電常數(shù)；

—真空介電常數(shù)（）；

—壓電晶體的相對(duì)介電常數(shù)（4.58）。第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在x軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即或用應(yīng)變表示，則式中，—x軸方向的電場(chǎng)強(qiáng)度。在x軸方向施加壓力時(shí)，石英晶體的x軸正向帶正電；如果作用力改為拉力，則在垂直于x軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，電荷的極性如圖8-2所示。第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖8-2晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與x軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見(jiàn)圖8-2，此時(shí)電荷的大小為：

式中，為石英晶體在y軸方向上受力時(shí)的壓電系數(shù)。 根據(jù)石英晶體軸的對(duì)成條件：則上式為：式中，h為石英晶片厚度。第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

負(fù)號(hào)表示沿y軸的壓縮力產(chǎn)生的電荷與沿x軸施加的壓縮力所產(chǎn)生的電荷極性相反。由上式可見(jiàn)，沿機(jī)械軸方向?qū)┘幼饔昧r(shí)，產(chǎn)生的電荷量與晶片的幾何尺寸有關(guān)。則其電極間電壓為根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用應(yīng)變表示

石英晶體除了有縱向、橫向壓電效應(yīng)外，在切向應(yīng)力作用下也會(huì)產(chǎn)生電荷。第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三由上述可知：①無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)效應(yīng)）之間呈線性關(guān)系。②晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)。③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、壓電元件（一）壓電元件的連接方式

在壓電傳感器中，為了提高靈敏度，壓電材料一般不只用一片而是用兩片或兩片以上組合在一起，稱為疊層式壓電組合器件。圖8-3兩壓電片的連接方式第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三在8-3a圖中，兩壓電片的負(fù)極都集中在中間電極上，正電極在兩邊的電極上，這種接法稱為并聯(lián)。其輸出電容C’為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U’等于單片電壓，即C’=2C，U’=U，q’=2q圖8-3b的接法是正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上片產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消，這種接法稱為串聯(lián)。從圖中可知，輸出的總電荷q’等于單片電荷q，輸出電壓U’為單片電壓口U的兩倍，總電容C’為單片電容C的一半，即：q’=q，U’=2U，C’=C/2第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三（二）等效電路

可以把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器，也可以把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，其電容值為：式中，

S—壓電片面積；

h—壓電片厚度；

—壓電材料相對(duì)介電常數(shù)；

—真空介電常數(shù)()；

—壓電元件的內(nèi)部電容。第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖8-4壓電傳感器的等效電路第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

壓電傳感器在測(cè)量時(shí)要與測(cè)量電路相連接，于是就得考慮于是就考慮電纜電容、放大器的輸入電阻、輸入電容，以及壓電傳感器的泄漏電阻?？紤]這些因素，等效電路就如圖8-5所示，它們的作用是等效的。將圖8-5簡(jiǎn)化后的電路電路如圖8-6所示。

圖8-5壓電傳感器完整的等效電路圖8-6完整電路的等效電路第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三三、接口電路

壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高，而輸出的能量又非常微弱，因此它的測(cè)量電路通常需要由一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器作為阻抗匹配，然后方可采用一般的放大、檢波、指示等電路，或者經(jīng)功率放大至記錄器。壓電傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：一是把壓電傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出：二是放大壓電傳感器輸出的弱信號(hào)。因此設(shè)計(jì)前置放大器也有兩種形式，一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(傳感器的輸出電壓)成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三（一）電壓放大器壓電傳感器與電壓放大器的連接電路如圖8-7所示。圖8-7電壓放大器第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三（二）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，其等效電路如圖8-8所示。在使用壓電傳感器時(shí)需注意該傳感器不能測(cè)量靜態(tài)參數(shù)，而采用電壓放大器，更換電纜時(shí)，須重新校正；采用電荷放大器，更換電纜時(shí)，無(wú)須重新校正。圖8-8電荷放大器第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三四、壓電式壓力傳感器圖8-9所示為壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)，壓電元件夾于兩個(gè)彈性膜片之間，壓電元件的一個(gè)側(cè)面與膜片接觸并接地，另一側(cè)面通過(guò)引線將電荷量引出。被測(cè)壓力均勻作用在膜片上，使壓電原價(jià)按受力而產(chǎn)生電荷。電荷量一般用電荷放大器或電壓放大器放大，轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出，輸