常用傳感器工作原理壓電式

關于常用傳感器工作原理壓電式第1頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三23.6壓電式傳感器基于某些材料的壓電效應，通過材料受力作用變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生而實現(xiàn)非電量測量---(有源傳感器)傳感元件具有壓電效應被測信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號調(diào)理電路輸出信息壓電元件壓電元件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物理量，如：力、壓力、加速度、機械沖擊和振動等。壓電傳感器具有響應頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結構簡單、工作可靠、質(zhì)量輕等優(yōu)點。隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器在工程力學、生物醫(yī)學、電聲學等許多技術領域得到廣泛的應用。第2頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三3§1壓電效應正壓電效應（順壓電效應）：某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當作用力方向改變時，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應（電致伸縮效應）：當在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當外加電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機械能正壓電效應逆壓電效應一般將具有壓電效應的電介質(zhì)稱為壓電材料。具有壓電效應的物質(zhì)很多，如天然石英晶體，人工制造的壓電陶瓷等。第3頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三4石英晶體是應用最廣的壓電晶體，有天然石英和人造石英。天然石英性能較人造石英更穩(wěn)定，其介電常數(shù)和壓電常數(shù)的穩(wěn)定性好（在幾百度范圍內(nèi)不變），機械強度高，絕緣性好，重復性好，線性范圍寬。ZXY(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZYX

光軸（無壓電效應）

電軸（縱向）

機械軸（橫向）

正壓電效應最明顯

逆壓電效應最明顯石英晶體在溫度低于573oC時，為-石英，屬六角晶系；高于573oC時，為-石英，屬三角晶系。實驗證明，-石英的壓電效應很明顯，-石英的壓電效應可忽略。-石英外形為六角形晶柱，兩端是六棱錐形狀，用三個互相垂直的軸來表示。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應。石英晶體的壓電效應第4頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三5石英晶體是如何產(chǎn)生壓電效應的？這主要與其內(nèi)部結構有關。石英晶體的分子式是，每個晶體單元含有三個硅離子和六個氧離子。將它們在Z平面投影，并等效為正六邊形排列。(b)(a)XY硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影++---YX+第5頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三6如圖，A、B兩個平面是在垂直X軸方向兩個平面上用真空鍍膜法或沉銀法得到的電鍍面。++---YX+AB++---YX+ABFxFx＋＋＋＋＋－－－－－－++---YX+AB＋＋＋＋＋－－－－－－－FxFx第6頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三7++++－－－－++++－－－－－－－－++++－－－－++++(c)(d)FXFX(a)(b)XXFYFYXX++---YX+AB第7頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三8假設從石英晶體上沿Y軸切下一片晶體切片，如下圖，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。當晶片受到沿X軸方向的應力Fx作用時，晶片將在垂直X軸方向的兩個電極面積聚電荷，其大小為：ZYXha石英晶體切片b由此可知，縱向壓電效應與面積A1大小無關，即與晶體的幾何尺寸無關。x軸方向受力的壓電系數(shù)第8頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三9若沿Y軸方向施加壓力Fy時,則在A面上出現(xiàn)正電荷，在B面上出現(xiàn)等量的負電荷，即仍在與電軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，其大小為：此時產(chǎn)生的壓電效應為橫向壓電效應，所以橫向壓電效應與晶體的幾何尺寸有關。沿z軸方向施加力時，由于硅、氧離子是對稱平移，故在表面沒有電荷呈現(xiàn)，沒有壓電效應。++---YX+ABZYXha石英晶體切片b的方向由所受力是壓力還是拉力決定。第9頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三10壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是人工制造的多晶體，它的壓電機理與石英的壓電機理不同，它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，這些區(qū)域會自發(fā)極化，從而存在一定的電場。在無外電場作用下，如圖（a），各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為0。直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

在外電場的作用下，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場的方向排列，從而使材料極化。如圖（b）。極化后，當外電場去掉后，陶瓷內(nèi)部仍存在很強的剩余極化強度，如圖（c）第10頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三11通過上面的分析，在陶瓷片極化的兩端出現(xiàn)束縛電荷，一端為正，一端為負。如下圖。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上很快吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外的作用。因此，陶瓷片對外不表現(xiàn)出極性。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖第11頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三12在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向正壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F－＋壓電陶瓷的正壓電效應中，充放電多少，與外力的大小成正比，即：壓電系數(shù)注意，剛剛極化后的壓電陶瓷的特性是不穩(wěn)定的，經(jīng)過兩三個月以后，壓電常數(shù)才近似保持為一定常數(shù)，經(jīng)過兩年后，壓電常數(shù)又會下降，因此做成的傳感器要經(jīng)常校準。第12頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三13同樣，若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場方向Ｅ逆壓電效應示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）第13頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三14陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結果。壓電陶瓷所以具有壓電效應，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。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英的大得多，價格低廉，所以獲得了廣泛的應用。第14頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三15§2壓電材料種類：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛（PZT）等；有機壓電薄膜，如聚偏二氟乙烯（PVdF）等。（一）

石英晶體石英晶體是具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好，在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化。石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當好。但石英材料價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應、溫度特性等）相差很大。為了在設計石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。第15頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三161.鈦酸鋇壓電陶瓷BaTiO3鈦酸鋇是由碳酸鋇和二氧化鈦按1：1克分子比例混合后充分研磨成形，經(jīng)高溫1300～1400oC燒結，然后經(jīng)人工極化處理得到的壓電陶瓷。這種壓電陶瓷具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足是居里溫度低（120oC），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。2.鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3

和PbZrO3

組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3

。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300oC以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其他微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此，PZT系列壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最為廣泛的壓電材料。（二）

壓電陶瓷壓電陶瓷具有很高的壓電系數(shù)，因此在壓電式傳感器中應用十分廣泛。第16頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三17聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應，但是它們具有“平面鋸齒”結構，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當在膜厚方向加直流高壓電場極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復合材料(PVF2—PZT)。

（三）

有機壓電薄膜第17頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三18§3壓電式傳感器及其等效電路當壓電傳感器中的壓電晶體受到外力作用時，在兩個極面上積聚數(shù)量相等、極性相反的電荷形成了電場。因此，可把壓電傳感器看成一個視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器。其電容量為

＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體C(b)(a)

壓電傳感器的等效原理第18頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三19由于壓電晶片上有外力作用時，晶片兩表面上產(chǎn)生電荷；當外力消失后，電荷也隨之消失，因此壓電傳感器可以等效為一個一個電荷源q和一個電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖(b)也可等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)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qCaUaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路第19頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三20qCaUaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路上述等效電路是在理想條件下得到的，也就是在傳感器內(nèi)部無漏電，外電路的阻抗是無窮大時才成立。對于壓電式傳感器，如果負載不是無窮大，電路會按指數(shù)規(guī)律放電，極板上的電荷無法保持不變，從而造成測量誤差。因此，利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量時，必須采用極高阻抗的負載。在動態(tài)測量時，變化快，漏電量相對較小，故壓電式傳感器適宜做動態(tài)測量。第20頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三21實際使用中，壓電傳感器往往采用兩個或兩個以上的晶片進行串接或并接。

圖(a)為并聯(lián)形式，有：圖(b)為串聯(lián)形式，有并聯(lián)接法，電容量大，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并適用于以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號和測量電路輸入阻抗很高的場合。實際使用中，一般使壓電晶片有一定的預應力，當然預應力也不能太大，否則將影響壓電式傳感器的工作靈敏度。第21頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三22實際使用中，壓電傳感器通過電纜與測量電路相連接，因此等效電路應考慮電纜的連接電容、后接電路（前置放大器）的輸入電阻和輸入電容以及壓電傳感器絕緣電阻。完整的等效電路如下：Ca傳感器的固有電容Ra傳感器的絕緣電阻Cc

電纜電容Ri前置放大器輸入電阻Ci

前置放大器輸入電容CaRaCcRiCiq壓電傳感器的完整等效電路CaRaCcRiCiUa第22頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三23為保證傳感器和測試系統(tǒng)具有一定的低頻（或準靜態(tài)）響應，就要求壓電傳感器的絕緣電阻Ra應保持在以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測試精度的要求。與之相適應的，測試系統(tǒng)則應具有較大的時間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當高的輸入阻抗Ri

，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，產(chǎn)生測量誤差。第23頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三24由于壓電元件產(chǎn)生的電量很小，所以為了測量必須加一放大器；另外，由于其自身的絕緣電阻很高，要求測量電路的前級輸入端有足夠高阻抗，所以前置放大器輸入阻抗要高，以免電荷快速泄漏。壓電傳感器的前置放大器主要有兩個作用：放大傳感器的輸出信號；把傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出（阻抗變換器）。前置放大器有兩種形式：

電壓放大器（輸出電壓與輸入電壓成正比）電荷放大器（輸出電壓和輸入電荷成正比）壓電傳感器組成的簡單測試系統(tǒng)如下：壓電式傳感器前置放大器測量儀器§4測量電路第24頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三251、電壓放大器由于等效電路中Ra、Ri再大，也會漏電，因此壓電式傳感電路只能準確測量隨時間變化的力。設該力為：則元件上產(chǎn)生的電壓值為：等效電阻和等效電容為：+CaRaRiCiCcUSCUa-R2R1+CaRCUSCUa-R2R1第25頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三26放大器輸入端的電壓為（復數(shù)形式）：放大器輸入端的電壓的幅值為：+CaRCUSCUa-R2R1Ui輸入電壓與作用力之間的相位差為：第26頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三27在理想情況下，壓電傳感器的絕緣電阻Ra和前置放大器的輸入電阻Ri均為無窮大，此時也趨于無窮大由于輸出電壓與有關，其中電纜電容的變化對整個測量系統(tǒng)影響很大，整個測量系統(tǒng)對的變化非常敏感。連線電纜的長度和形態(tài)發(fā)生變化，都將導致傳感器輸出電壓的變化，使傳感器的靈敏度也發(fā)生變化，這是使用電壓放大器的最大缺點。第27頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三28+CaRCUSCUa-R2R1Ui設放大器增益為K則放大器轉(zhuǎn)換靈敏度為為了擴展傳感器的工作頻帶的低頻端需要增大R或增大C因為增大電容值會減小系統(tǒng)的靈敏度，所以一般采取增大R方法，故配置Ri很大的前置放大器，此時傳感器能有較好的低頻響應特性。第28頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三292、電荷放大器電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器，它實際上是一個利用電容作為反饋元件的深度負反饋的高增益運放。它可以解決電纜電容變化對傳感器靈敏度的影響。電荷放大器原理電路圖CaCcCi-AUiUyCFq第29頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三30如果放大器增益足夠大，則上式表明，在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，并且與電纜對地電容無關。因此，采用電荷放大器時，即使連接電纜的長度變化，其靈敏度也無明顯變化，對其輸出無明顯影響，這是電荷放大器的最突出的優(yōu)點。但與電壓放大器比較，其電路復雜，價格昂貴。目前，電荷放大器的應用日益增多。第30頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三31（1）壓電元件的串并聯(lián)

§5壓電式力傳感器的合理使用

（2）壓電片預應力壓電片在壓電傳感器中，必須有一定的預應力。（3）壓電力傳感器的安裝壓電式力傳感器安裝時應保證傳感器的敏感軸與受力方向一致。安裝傳感器的上、下接觸面要經(jīng)過精細加工，以保證平行度和平面度。當接觸表面粗糙時，對環(huán)形壓電力傳感器，可以加裝應力分布環(huán)，對并聯(lián)傳感器可加裝應力分布塊。在接觸面不平行時，可加裝球形環(huán)，應力環(huán)、塊的彈性模量均不得低于傳感器外殼金屬材料的彈性模量。為牢固地安裝傳感器，環(huán)形傳感器可在中心孔加緊固螺栓?？傊?，裝卡牢固是非常重要的，否則不僅會降低傳感器的頻響，還將影響測試的結果。第31頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三32

（4）合理選擇傳感器的量程和頻率響應應根據(jù)所測力的極限來選擇壓電力傳感器的量程和頻響，不要使傳感器所測負荷超過額定量程。傳感器的工作頻帶要能夠覆蓋待測力的頻帶。（5）合理選用二次儀表測量低頻力信號時，因測試系統(tǒng)的頻率下限將主要取決于傳感器的電荷放大器的時間常數(shù)，因此，測準靜態(tài)力信號一般要求電荷放大器輸入阻抗高于1012Ω，低頻響應為0.001Hz顯示儀表采用直流數(shù)字電壓表。測量中、高頻力信號時，同樣對于后接器件，儀表有所要求。但一般情況下，壓電力傳感器和電荷放大器對中、高頻的響應較好，后接顯示儀表可用峰值電壓表、瞬態(tài)記錄儀、記憶示波器等。（6）合理選擇安裝連接電纜壓電力傳感器與電荷放大器、電荷放大器與顯示記錄儀表的連接大多數(shù)情況下均采用低噪聲電纜。在組成測試系統(tǒng)時，要注意將電纜固定，避免因晃動而產(chǎn)生電纜噪聲給測試系統(tǒng)帶來誤差。同時，要注意電纜插頭及插座的清潔，以保證測試系統(tǒng)的絕緣電阻。（7）選擇縱、橫向壓電效應在壓電傳感器中，一般利用壓電材料的縱向壓電效應較多，這時所使用的壓電材料大多做成圓片式，有利于使用其橫向壓電效應的。第32頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三33§6壓電式傳感器的應用

（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計壓電式傳感器常用來測量力、壓力、振動的加速度，也可用于聲學（包括超聲）和聲發(fā)射等的測量。第33頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三34（一）壓電式加速度傳感器壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊2預先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上，測量時傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起，輸出信號由電極1引出。當傳感器受到振動時，質(zhì)量塊將感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力：該慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為：說明電荷量將直接反映加速度的大小。它的靈敏度與壓電材料的壓電系數(shù)和質(zhì)量塊的質(zhì)量有關。為了提高靈敏度，采用壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。也可以增加壓電片的數(shù)目和采用合理的連接方法來提高傳感器的靈敏度。

結構原理:第34頁，講稿共41頁，2023年5月2日，星期三35（二）壓電式壓力傳感器引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導電片當膜片受到壓力后，在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。第35頁，講稿共41頁，20