第8章壓電式傳感器及應(yīng)用

第8章壓電式傳感器及應(yīng)用3/21/20241引言壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。3/21/20242主要章節(jié)8.1壓電效應(yīng)及壓電材料8.2壓電式傳感器測量電路8.3壓電式傳感器的應(yīng)用3/21/202438.1壓電效應(yīng)及壓電材料1．壓電效應(yīng)的概念某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。相反，當在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。8.1.1壓電效應(yīng)3/21/20244壓電效應(yīng)可逆性3/21/202452.壓電效應(yīng)原理具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料等石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸：x軸、y軸和z軸。z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：x軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸：y軸又稱為機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。3/21/20246石英晶體及切片3/21/20247石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機理可說明。石英晶體的化學(xué)式為SiO2，它的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子，一個硅離子和兩個氧離子交替排列（氧離子是成隊出現(xiàn)的）。沿光軸看去，可以等效地認為正六邊形排列結(jié)構(gòu)。3/21/20248石英晶體的壓電效應(yīng)機理1—正電荷等效中心2—負電荷等效中心3/21/20249分析說明（1）在無外力作用時（2）當晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形（3）同樣，當晶體的機械軸（y軸）方向受到壓力時，也會產(chǎn)生晶格變形（4）當晶體的光軸（z軸）方向受到受力時，由于晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離，所以不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3/21/202410結(jié)論沿機械軸方向的力作用在晶體上時，產(chǎn)生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，式中的負號說明沿機械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。3/21/2024118.1.2壓電材料（1）壓電常數(shù)（2）彈性常數(shù)（3）介電常數(shù)（4）機械耦合系數(shù)（5）絕緣電阻（6）居里點1．壓電材料的主要特性參數(shù)3/21/2024122.常用壓電材料石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有3類：壓電晶體、經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷、高分子壓電材料。3/21/202413石英晶體天然形成的石英晶體外形3/21/202414天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

3/21/202415石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝3/21/202416石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振3/21/202417壓電陶瓷外形

3/21/202418高分子壓電薄膜及拉制

3/21/202419高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

3/21/202420可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

3/21/202421壓電式腳踏報警器

3/21/2024228.2壓電式傳感器測量電路將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。當壓電元件受力時，就會在兩個電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當于一個電荷源；兩個電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當于一個以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為

Ca=εRε0A/δ

8.2.1壓電式傳感器的等效電路3/21/202423壓電元件的等效電路壓電元件等效為一個與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源，3/21/202424壓電元件實際的等效電路圖壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量。3/21/2024258.2.2壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；二是把傳感器的微弱信號進行放大。3/21/202426輸出信號根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。3/21/2024271.電荷放大器并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實際上是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路電荷放大器原理圖3/21/202428結(jié)論電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計。3/21/2024292.電壓放大器（阻抗變換器）串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，但由于壓電效應(yīng)引起的電容量很小，因而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓輸出型測量電路時，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗3/21/2024308.3壓電式傳感器的應(yīng)用在壓電式傳感器中，為了提高靈敏度，往往采用多片壓電晶片粘結(jié)在一起。其中最常用的是兩片結(jié)構(gòu)。由于壓電元件上的電荷是有極性的，因此接法有串聯(lián)和并聯(lián)兩種串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓為輸出量及測量電路輸入阻抗很高的場合；并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。8.3.1壓電傳感器的基本結(jié)構(gòu)3/21/202431壓電元件的串聯(lián)和并聯(lián)接法3/21/202432壓電晶片并聯(lián)可以增大輸出電荷，提高靈敏度。具體使用時，兩片晶片上必須有一定的預(yù)緊力，以保證壓電元件在工作時始終受到壓力，同時可以消除兩壓電晶片之間因接觸不良而引起的非線性誤差，保證輸出與輸入作用力之間的線性關(guān)系。但是這個預(yù)緊力不能太大，否則將影響其靈敏度。3/21/202433壓電片的并聯(lián)連接電路圖3/21/2024348.3.2壓電傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器主要用于動態(tài)作用力、壓力、加速度的測量。3/21/2024351.壓電式力傳感器壓電式力傳感器是以壓電元件為轉(zhuǎn)換元件，輸出電荷與作用力成正比的力—電轉(zhuǎn)換裝置。常用的形式為荷重墊圈式，它由基座、蓋板、石英晶片、電極以及引出插座等組成3/21/202436YDS-78型壓電式單向動態(tài)力傳感器變化頻率不太高的動態(tài)力的測量。測力范圍達幾十kN以上，非線性誤差小于1%，固有頻率可達數(shù)十千赫。3/21/2024372.壓電式加速度傳感器由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并用螺栓加以固定3/21/202438壓電式加速度傳感器慣性力是加速度的函數(shù)，慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷Q，當傳感器選定后，傳感器輸出電荷與加速度a成正比3/21/202439高分子壓電材料的應(yīng)用3.玻璃打碎報警裝置將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。

粘貼位置3/21/202440

4．壓電式周界報警系統(tǒng)

（用于重要位置出入口、周界安全防護等）將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。3/21/2024415.交通監(jiān)測

將高分子壓電