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1、優(yōu)秀精品課件文檔資料 6.1壓電效應(yīng)及壓電材料6.2壓電傳感器測(cè)量電路6.3壓電式傳感器的應(yīng)用 第6章 壓電式傳感器返回主目錄 第6章 壓電式傳感器 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(dāng)材料受力作用而變形時(shí), 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小#, 重量輕#, 工作頻帶寬等特點(diǎn), 因此在各種動(dòng)態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)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。 6.1 壓電效應(yīng)及壓電材料 某些電介質(zhì), 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí), 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象, 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷,

2、 當(dāng)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)。 當(dāng)作用力方向改變時(shí), 電荷的極性也隨之改變。 有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象, 稱為“正壓電效應(yīng)” 。 相反, 當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng), 這些電介質(zhì)也會(huì)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)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料, 壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換, 如圖6 - 1所示。 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng), 但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究, 發(fā)現(xiàn)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。 壓電材料可以分為兩大類: 壓電晶體和壓電陶瓷 。 壓電材料的主要特性參數(shù)有: （1）

3、 壓電常數(shù)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù), 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。 （2） 彈性常數(shù)壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。 （3） 介電常數(shù)對(duì)于一定形狀、 尺寸的壓電元件, 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān); 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 （4） 機(jī)械耦合系數(shù)在壓電效應(yīng)中, 其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根; 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 （5） 電阻壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏, 從而改善壓電傳感器的低頻特性。 （6） 居里點(diǎn)壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。 一、 石英晶體 石英晶體

4、化學(xué)式為SiO2, 是單晶體結(jié)構(gòu)。圖6- 2（a）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個(gè)正六面體。 石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。其中縱向軸 z 稱為光軸, 經(jīng)過(guò)六面體棱線并垂直于光軸的 x 軸稱為電軸, 與 x 和 z 軸同時(shí)垂直的軸 y 稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸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)。 若從晶體上沿 y 方向切下一塊如圖 6 - 2（c）所示晶片, 當(dāng)在電軸方向施加作用力時(shí), 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為 qx = d11 f

5、x (6 - 1) 式中: d11x方向受力的壓電系數(shù); fx作用力。 若在同一切片上, 沿機(jī)械軸y方向施加作用力fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy, 其大小為 q y=d12 fy （6 - 2） 式中: d12y軸方向受力的壓電系數(shù), d12=-d11; a、 b晶體切片長(zhǎng)度和厚度。 電荷qx和qy 的符號(hào)由所受力的性質(zhì)決定。 石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖6 - 3是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子, 在垂直于z軸的xy平面上的投影, 等效為一個(gè)正六邊形排列。圖中“”代表Si4+離子, “”代表氧離子O2-。 當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí), 正、負(fù)離子正好分布

6、在正六邊形的頂角上, 形成三個(gè)互成120夾角的電偶極矩P1、 P 2、P3。 如圖 6 - 3（a）所示。 因?yàn)镻=qL, q為電荷量, L為正負(fù)電荷之間距離。 此時(shí)正負(fù)電荷重心重合, 電偶極矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。 當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí), 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形, 正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。如圖 6 - 3（b）所示, 此時(shí)正負(fù)電荷重心不再重合, 電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P 1+P2+P3）x 0 。 在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為

7、零, 不出現(xiàn)電荷。 當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí), 晶體的變形如圖6 - 3（c）所示, 與圖6 - 3（b）情況相似, P1增大, P2、P3 減小。 在x軸上出現(xiàn)電荷, 它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。 在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。 如果沿z軸方向施加作用力, 因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同, 所以正負(fù)電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力, 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力fx、fy的方向相反時(shí), 電荷的極性也隨之改變。 二、 壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。 材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇, 它有一定的極化方向, 從而存在電場(chǎng)。

8、 在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí), 電疇在晶體中雜亂分布, 它們的極化效應(yīng)被相互抵消, 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性, 不具有壓電性質(zhì)。如圖 6 - 4（a）所示。 在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí), 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 趨向于按外電場(chǎng)方向的排列, 從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng), 就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。 讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度, 即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí), 外電場(chǎng)去掉后, 電疇的極化方向基本不變, 即剩余極化強(qiáng)度很大, 這時(shí)的材料才具有壓電特性。 極化處理后陶瓷材料內(nèi)部仍存在有很強(qiáng)的剩余極化, 當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí), 電疇的界限發(fā)生

9、移動(dòng), 電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn), 從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化, 因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng), 將機(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)。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系: q = d33 F (6- 3) 式中: d 33 壓電陶瓷的壓電系數(shù); F作用力。 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多, 所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān), 它的參數(shù)也隨時(shí)間變化, 從而使其壓電特性減弱。 最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后

10、燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍, 但使用溫度較低, 最高只有70 , 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列）, 它是鈦酸鋇（BaTiO 3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的Pb（ZrTi）O3。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。 鈮鎂酸鉛是 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來(lái)的壓電陶瓷。 它由鈮鎂酸鉛(Pb（Mg Nb ）O3)、 鋯酸鉛(PbZrO3)和鈦酸鉛(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷, 具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度, 而且能承受較高的壓力。 31 32 6.2 壓電式傳感器測(cè)量電路 一、 壓電式傳感器的等效電

11、路 由壓電元件的工作原理可知, 壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí), 它也是一個(gè)電容器, 晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為 Ca= (6 - 4) 式中: A壓電片的面積; d壓電片的厚度; r 壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。 d Ar 0 因此, 壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電壓源。 如圖6 - 5（a）所示, 電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為 Ua = (6 -5) 壓電傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源。 如圖6 - 5（b）所示。 壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接, 因此還須考慮連接電纜

12、的等效電容C c, 放大器的輸入電Ri, 輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra, 這樣壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路, 如圖6 - 6所示。aCq 二、 壓電式傳感器的測(cè)量電路 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高, 而輸出能量較小, 因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，其作用為: 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗; 二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào), 也可以是電荷信號(hào), 因此前置放大器也有兩種形式: 電壓放大器和電荷放大器。 1. 電壓放大器（阻抗變換器） 圖6 - 7（a）、（b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。 在圖6 - 7（b）

13、中, 電阻R = RaRi/(Ra+Ri), 電容C = Ca+Cc+Ci, 而ua = q/Ca, 若壓電元件受正弦力f = Fmsint的作用, 則其電壓為wtUwtCdFu mama sinsin 式中: Um壓電元件輸出電壓幅值Um = dFm/ Ca; d壓電系數(shù)。 由此可得放大器輸入端電壓Ui, 其復(fù)數(shù)形式為)(1 aii CCjwRjwRdfU 的幅值為 iU imU )(1 22 icamim CCCR RdFU 輸入電壓和作用力之間相位差為 )(arctan2 RCCC ica 在理想情況下, 傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無(wú)限大, 即（Ca +Cc+Ci）R

14、1, 那么由式（6 - 8）可知, 理想情況下輸入電壓幅值Uim為 ica mim ccc dFU 式（6 - 10）表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無(wú)關(guān)。一般認(rèn)為/03時(shí), 就可以認(rèn)為Uim與無(wú)關(guān), 0表示測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù), 即0=1/R（Ca + Cc + Ci）。 這表明壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng), 但是, 當(dāng)作用于壓電元件力為靜態(tài)力（=0）時(shí), 則前置放大器的輸入電壓等于零, 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉, 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測(cè)量。 當(dāng)R（Ca+ Cc+Ci）1 時(shí), 放大器輸入電壓Uim如式（6 - 10）所示。式中Cc為連接電纜電容, 當(dāng)電纜

15、長(zhǎng)度改變時(shí), Cc也將改變, 因而Uim也隨之變化。因此, 壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換, 否則將引入測(cè)量誤差。 2. 電荷放大器 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路, 由一個(gè)反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成, 當(dāng)略去R a和Ri并聯(lián)電阻后, 電荷放大器可用圖6 - 8 所示等效電路, 圖中A為運(yùn)算放大器增益。由于運(yùn)算放大器輸入阻抗極高, 放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流, 其輸出電壓Uo為 Uo UCf = fcq 式中: Uo放大器輸出電壓; UCf反饋電容兩端電壓。由運(yùn)算放大器基本特性, 可求出電荷放大器的輸出電壓 ica CCC AqU 0 通常A=104106, 因此若

16、滿足（1+A）Cf Ca+c+Ci時(shí), 式（6 - 2）可表示為 Uo - fcq 由式（6 - 13）可見(jiàn), 電荷放大器的輸出電壓Uo與電纜電容Cc無(wú)關(guān), 且與q成正比, 這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。 6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用 一、 壓電式測(cè)力傳感器 圖 6 - 9 是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖, 它主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 傳感器上蓋為傳力元件, 它的外緣壁厚為0.10.5mm, 當(dāng)外力作用時(shí), 它將產(chǎn)生彈性變形, 將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型, 利用其縱向壓電效應(yīng), 通過(guò)d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。 石英晶片的尺寸為81 mm。該傳感器的測(cè)力范圍為050

17、 N, 最小分辨率為0.01, 固有頻率為5060 kHz, 整個(gè)傳感器重10g。 二、 壓電式加速度傳感器 圖 6 - 10 是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。 整個(gè)部件裝在外殼內(nèi), 并用螺栓加以固定。 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí), 壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用, 根據(jù)牛頓第二定律, 此慣性力是加速度的函數(shù), 即 F=ma （6 - 14） 式中: F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力; m質(zhì)量塊的質(zhì)量; a加速度。 此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上, 因而產(chǎn)生電荷q, 當(dāng)傳感器選定后, m為常數(shù), 則傳感器輸出電荷為 q=d11F=d11m

18、a （6 - 15） 與加速度a成正比。因此, 測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。 三、 壓電式金屬加工切削力測(cè)量 圖 6 - 11 是利用壓電陶瓷傳感器測(cè)量刀具切削力的示意圖。 由于壓電陶瓷元件的自振頻率高, 特別適合測(cè)量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方, 當(dāng)進(jìn)行切削加工時(shí), 切削力通過(guò)刀具傳給壓電傳感器, 壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出, 記錄下電信號(hào)的變化便測(cè)得切削力的變化。 四、 壓電式玻璃破碎報(bào)警器 BSD2壓電式傳感器是專門用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器, 它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出

19、 輸出電壓經(jīng)放大、 濾波、 比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。 BSD2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路見(jiàn)圖 6 - 12 所示。傳感器的最小輸出電壓為 100 mV, 最大輸出電壓為 100 V, 內(nèi)阻抗為 1520 k。 報(bào)警器的電路框圖見(jiàn)圖 6 - 13。 使用時(shí)傳感器用膠粘貼在玻璃上, 然后通過(guò)電纜和報(bào)警電路相連。為了提高報(bào)警器的靈敏度, 信號(hào)經(jīng)放大后, 需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波, 要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。 由于玻璃振動(dòng)的波長(zhǎng)在音頻和超聲波的范圍內(nèi), 這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。 當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí), 才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào), 驅(qū)動(dòng)報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。