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第六章 壓電式傳感器,第六章 壓電式傳感器,壓電式傳感器的原理：基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，是一種典型的有源傳感器（或發(fā)電型傳感器）。 特點：壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬，靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。 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”,石英晶體壓電效應(yīng)演示,,6-1 壓電效應(yīng),某些電介質(zhì)物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。 相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。,第六章 壓電式傳感器,具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如天然形成的石英晶體，人工制造的壓電陶瓷、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。 常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。,第六章 壓電式傳感器,第六章 壓電式傳感器,一、石英晶體的壓電效應(yīng),石英晶體有天然和人造石英單晶兩種。 石英晶體屬六方晶系，是一個正六面體，有右旋和左旋石英晶體之分，在晶體學(xué)中用三根互相 垂直的軸 Z、X、Y 表示它的坐標(biāo)。,第六章 壓電式傳感器,Z 軸為光軸（中性軸），它是晶體的對稱軸，光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因而它的貢獻(xiàn)是作為基準(zhǔn)軸。 X 軸為電軸（垂直于光軸），該軸壓電效應(yīng)最顯著，它通過正六棱柱相對的兩個棱線且垂直于光軸Z，顯然X軸共有三個。 Y 軸為機(jī)械軸（力軸），顯然也有三個，它垂直于兩個相對的表面，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。,第六章 壓電式傳感器,第六章 壓電式傳感器,（a）,（b）,（c）,第六章 壓電式傳感器,,當(dāng)石英晶體未受力作用時，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2?）正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個大小相等，互成120夾角的電偶極矩 p1、 p2 和 p3。 電偶極矩的矢量和等于零，即 ，這時晶體表面不產(chǎn)生電荷，石英晶體從整體上呈電中性。（見圖a）,,,,第六章 壓電式傳感器,當(dāng)石英晶體受到沿X方向的壓縮力作用時，晶體沿X方向產(chǎn)生壓縮變形，正、負(fù)離子的相對位置隨之變動，正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩在X軸方向的分量， ，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)正電荷。而在Y軸和Z軸方向的分量均為零。在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。 這種沿X軸作用力，而在垂直于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“縱向壓電效應(yīng)”。（見圖b）,,第六章 壓電式傳感器,當(dāng)石英晶體受到沿Y軸方向的壓縮力作用時，電偶極矩在X軸方向的分量 ，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)負(fù)電荷。（這種情況等同于沿X軸方向的拉力作用），同樣在垂直于Y軸和Z軸的晶面上不出現(xiàn)電荷。 這種沿Y軸作用力，而在垂直于X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“橫向壓電效應(yīng)?！保ㄒ妶Dc）。,,第六章 壓電式傳感器,當(dāng)晶體受到沿Z軸方向的力（無論是壓縮力或拉伸力）作用時，因為石英晶體在X軸方向和Y方向的變形相同，正、負(fù)電荷中心始終保持重合，電偶極矩在X、Y方向的分量等于零。 所以沿光軸方向施加作用力，石英晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力Fx或Fy的方向相反時，電荷的極性隨之改變。如果石英晶體的各個方向同時受到均等的作用力（如液體壓力），石英晶體將保持電中性。 所以石英晶體沒有體積變形的壓電效應(yīng)。,二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng),第六章 壓電式傳感器,壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料。,它由無數(shù)細(xì)微的電疇組成，這些電疇實際上是自發(fā)極化的小區(qū)域，自發(fā)極化的方向完全是任意排列的。在無外電場作用時，從整體來看，這些電疇的極化效應(yīng)被互相抵消，使原始的壓電陶瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。,,第六章 壓電式傳感器,為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須進(jìn)行極化處理。,所謂極化處理，就是在一定溫度下對壓電陶瓷施加強(qiáng)電場（如20～30kv/cm直流電場），經(jīng)過2～3小時以后，壓電陶瓷就具備壓電性能了，這是因為陶瓷內(nèi)部的電疇的極化方向在外電場作用下都趨向于電場的方向，這個方向就是壓電陶瓷的極化方向，通常取 z 軸方向。 經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，在外電場去掉后，其內(nèi)部仍存在著很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時，電疇的界限發(fā)生移動，因此剩余極化強(qiáng)度將發(fā)生變化，壓電陶瓷就呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。,,第六章 壓電式傳感器,第六章 壓電式傳感器,超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片,醫(yī)用B超換能器用晶片,高分子壓電薄膜,壓電薄膜,,,,,,,,,,,聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、改性聚氯乙烯（PVC）等,第六章 壓電式傳感器,18,第六章 壓電式傳感器,三、壓電常數(shù)和表面電荷的計算,1、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷的計算,從石英晶體上切一片平行六面體 — 晶體切片，使它的晶面分別平行于x、y、z軸。,（1）當(dāng)晶片受到 x 方向壓縮應(yīng)力T1(N/m2)作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，在垂直于x軸表面上產(chǎn)生的電荷密度σ1與應(yīng)力T1成正比。,,第六章 壓電式傳感器,當(dāng)石英晶片在 x 軸方向施加壓縮力時，產(chǎn)生的電荷q正比于作用力F1，與晶片的幾何尺寸無關(guān)，若晶片在晶軸 x 方向受到拉力（大小與壓縮力相等）的作用，則仍在垂直于 x 軸表面上出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。,石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系,第六章 壓電式傳感器,（2）當(dāng)晶片受到沿 y（即機(jī)械軸）方向的應(yīng)力T2作用時，在垂直于 x 軸表面出現(xiàn)電荷，電荷的極性如下圖示。,,電荷密度σ12與施加的應(yīng)力T2成正比。,第六章 壓電式傳感器,（3）當(dāng)石英晶體受到 z 軸（即光軸）方向應(yīng)力T3作用時，無論是拉伸應(yīng)力，還是壓縮應(yīng)力，都不會產(chǎn)生電荷，即：d13=0。,（4）當(dāng)石英晶體分別受到剪切應(yīng)力T4、T5、T6作用時， 則有,（即d15= 0）,（即d16= 0）,以上三式中的T4、T5、T6分別為晶片x面（即yz平面）、y面（即zx平面）和z面（即xy平面）上作用的剪切應(yīng)力。,第六章 壓電式傳感器,綜上所述，只有在沿x、y方向作用單向應(yīng)力和晶片的x面上作用剪切應(yīng)力時，才能在垂直于x軸的晶片表面上產(chǎn)生電荷，即,同理，通過實驗可以證明，在垂直于y軸的晶片表面上，只有剪切應(yīng)力T5和T6的作用才出現(xiàn)電荷，即,（因，d25=?d14， d26= ? 2d11 ）,,在垂直于 z 軸向的晶片表面上，電荷密度,第六章 壓電式傳感器,由此可得到石英晶體在所有應(yīng)力作用下的順壓電效應(yīng)矩陣表達(dá)式 ：,,壓電常數(shù)矩陣是正確選擇壓電元件、受力狀態(tài)、變形方式、能量轉(zhuǎn)換率以及晶片幾何切型的重要依據(jù)。,由壓電常數(shù)矩陣還可以知道，壓電元件承受機(jī)械應(yīng)力作用時，有哪幾種變形方式具有能量轉(zhuǎn)換作用。 3）石英晶體通過dij的四種基本變形方式可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。 (a) 厚度變形，通過d11產(chǎn)生x方向的縱向壓電效應(yīng)； (b) 長度變形，通過d12產(chǎn)生y方向的橫向壓電效應(yīng)； (c) 面剪切變形，晶體受剪切面與產(chǎn)生電荷的面共面。 如：對x切晶片，當(dāng)x面（即yz平面）上作用剪切應(yīng)力時，通過d14在此同一面上產(chǎn)生電荷。對于y切晶片，通過d25可在y面（即zx平面）產(chǎn)生面剪切式能量轉(zhuǎn)換。 (d) 厚度剪切變形，晶體受剪切面與產(chǎn)生電荷不共面，如y切晶片，當(dāng)z面（即xy平面）上作用有剪切應(yīng)力時，通過d26在y面（即zx平面）上產(chǎn)生電荷。,第六章 壓電式傳感器,第六章 壓電式傳感器,2、 壓電陶瓷的壓電常數(shù)和表面電荷的計算,壓電陶瓷的極化方向通常取 z 軸方向，在垂直于 z 軸平面上的任何直線都可取作為 x 軸或 y 軸，對于 x 軸和 y軸，其壓電特性是等效的。壓電常數(shù) dij 的兩個下標(biāo)中的1和2可以互換，4和5也可以互換，這樣在18個壓電常數(shù)中，不為零的只有5個，其中獨立的壓電常數(shù)只有三個，即d33、d31和d15。 如鈦酸鋇壓電陶瓷，壓電常數(shù)矩陣為：,,鈦酸鋇壓電陶瓷除厚度變形、長度變形和剪切變形外，還可利用體積變形獲得壓電效應(yīng)。,石英晶體與壓電陶瓷的比較,石英晶體 壓電陶瓷 a 單晶體 人工制造的多晶體 b 極化方向：X、Y Z軸 c 介電和壓電常數(shù) 靈敏度高 的溫度穩(wěn)定性好,第六章 壓電式傳感器,壓電材料的主要性能指標(biāo),,,,,,,,,,壓電常數(shù)——衡量壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度 彈性常數(shù)——決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性 介電常數(shù)——影響壓電器件的固有電容與頻率下限 絕緣電阻——影響電荷泄漏和低頻特性 居里點——壓電材料開始喪失壓電特性的溫度,第六章 壓電式傳感器,一、壓電元件的結(jié)構(gòu)形式,第六章 壓電式傳感器,,,在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如圖所示。圖a為并聯(lián)接法，其輸出電容C ＇為單片的n倍，即C＇=nC，輸出電壓U ＇ =U，極板上的電荷量Q＇為單片電荷量的n倍，即Q＇=nQ。 圖中b為串聯(lián)接法，這時有Q＇＝Q，U＇= nU，C＇=C/n。,6-2 壓電式傳感器的等效電路,在以上兩種聯(lián)接方式中，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。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。,a b,第六章 壓電式傳感器,二、壓電式傳感器的等效電路,第六章 壓電式傳感器,壓電式傳感器對被測量的感受程度是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個電荷源，而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當(dāng)于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器。,,第六章 壓電式傳感器,因為傳感器既是電荷源又是電容器，其等效電路可以認(rèn)為是兩者的并聯(lián)。也可以等效為一個電壓源和一個電容串聯(lián)的電路。,其開路電壓：,由上圖可知，只有在外電路負(fù)載Rf無窮大，而且內(nèi)部無漏電時，壓電傳感器所產(chǎn)生的電荷及其形成的電壓Ua才能長期保持，如果負(fù)載不是無窮大，則電路將以RfCa為時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。,第六章 壓電式傳感器,利用壓電式傳感器進(jìn)行測量時，由于它要與測量電路相連接，于是應(yīng)考慮電纜電容Cc，放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra，從而可以得到壓電傳感器完整等效電路。,壓電傳感器產(chǎn)生的電荷很少，信號微弱，而自身又要有極高的絕緣電阻，因此需經(jīng)測量電路進(jìn)行阻抗變換和信號放大，且要求測量電路輸入端必須有足夠高的阻抗和較小的分布電容，以防止電荷迅速泄漏，電荷泄漏將引起測量誤差。,第六章 壓電式傳感器,6-3 壓電式傳感器的測量線路,根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓信號也可以是電荷信號，因此設(shè)計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。,第六章 壓電式傳感器,一、電壓放大器,左圖為電壓放大器電路簡化等效電路圖，圖中,,；,如果壓電元件受作用力的為交變力 F＝Fm Sinωt Fm — 作用力幅值 。則產(chǎn)生的電荷與電壓均按正弦規(guī)律變化（壓電元件是壓電陶瓷在其電軸上作用交變力）,Q＝d33F； d33—壓電系數(shù) 。,則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值 ：,,第六章 壓電式傳感器,根據(jù)上面的電路，可得到前置放大器的輸入電壓Vsr，寫成復(fù)數(shù)形式 ：,,則前置放大器輸入電壓的幅值Vsrm為：,,輸入電壓與作用力之間相位差為：,,,傳感器的電壓靈敏度 ：,,第六章 壓電式傳感器,結(jié)論： （1）當(dāng)ω＝0（作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力），則放大器輸入電壓等于零，這意味著電荷被泄漏，從原理上這時壓電傳感器不能測靜態(tài)量； （2）當(dāng) ，可近似看作放大器輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)，（被測物理量變化頻率越高越能滿足上述條件），可見壓電式傳感器高頻響應(yīng)非常好。 （3）為擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍，必須盡量提高回路的時間常數(shù)，但不能提高電容，否則電壓靈敏度會下降，因此只能提高電阻。主要取決于前置放大器的輸入電阻，放大器輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)越大，傳感器的低頻響應(yīng)越好。 電壓放大器電路簡單，元器件少、價格便宜、工作可靠，但電纜長度不能長，增加電纜長度會降低傳感器的電壓靈敏度，而且不能隨便更換出廠時規(guī)定的電纜，一旦更換電纜，必須重新校正靈敏度，否則將引起測量誤差。,第六章 壓電式傳感器,,第六章 壓電式傳感器,二、電荷放大器,用電壓放大器作為前置變換電路使得輸出USC不僅與電荷量有關(guān)，還與連接電纜等分布參數(shù)如CC有關(guān)，所以系統(tǒng)的互換性不好，采用電荷放大器就可以較好地解決這個問題。,電荷放大器實際上是一個具有深度負(fù)反饋的高增益運算放大器。,當(dāng)放大器開環(huán)增益和輸入電阻、反饋電阻相當(dāng)大時，放大器的輸出電壓Vsc正比于輸入電荷Q。,第六章 壓電式傳感器,①基本電路（ A無限大、Ri無限大的理想放大器）,分壓,②系統(tǒng)的實際等效電路分析（ A有限大、C=Cc + Ca + Ci ）,,A為運放的開環(huán)增益，一般為104～106。 結(jié)果與C無關(guān)。,,,,,第六章 壓電式傳感器,,式中 Ca—傳感器壓電元件 的電容； Cc—電纜電容 Ci—放大器輸入電容 Cf—放大器反饋電容 k—放大器的開環(huán)增益,第六章 壓電式傳感器,,當(dāng)k足夠大，則：,則 ：,,電荷放大器的輸出電壓僅與電荷量和反饋電容有關(guān)，只要保持反饋電容的數(shù)值不變，輸入電壓就正比于輸入電荷量，且當(dāng)（1+K）Cf 10（Ca+Cc+Ci）以上時， ① 可認(rèn)為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜和使用較長電纜（數(shù)百米）時，無需重新校正傳感器靈敏度。 Rf（約1010～1014Ω）提供直流反饋； 電荷放大器的時間常數(shù)RfCf相當(dāng)大（105S以上），下限截止頻率fL=1/(2πRfCf) ，低達(dá)310-6Hz，上限頻率高達(dá)100KHz，輸入阻抗大于1012Ω，輸出阻抗小于100Ω。 ② 壓電式傳感器配用電荷放大器時，低頻響應(yīng)比配用電壓放大器要好得多，可對準(zhǔn)靜態(tài)的物理量進(jìn)行有效的測量。,,第六章 壓電式傳感器,電荷放大器的實際電路舉例 設(shè)計電荷放大器時，為了基本滿足Ri近似無限大的條件，所選運算放大器的輸入阻抗應(yīng)大于1010Ω，至少不應(yīng)小于109Ω ；開環(huán)增益一般應(yīng)達(dá)到90dB。本例中200MΩ和Rf 電阻是為了防止放大器飽和而加入的，22KΩ電阻可以在一定程度上實現(xiàn)對輸入端的保護(hù)作用。,第六章 壓電式傳感器,6-4 壓電式傳感器的應(yīng)用,一、壓電式加速度傳感器,通過壓電元件與質(zhì)量塊的結(jié)合，可以構(gòu)成壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器常見的結(jié)構(gòu)型式有基于壓電元件厚度變形的壓縮型和基于剪切變形的剪切型。,第六章 壓電式傳感器,（c）梁式,（a）單端中心壓縮式,（b）挑擔(dān)式,1 ——慣性質(zhì)量塊 2 ——雙壓電晶片 3 ——引線 4 ——底座,第六章 壓電式傳感器,靈敏度：100mV/g 量程：50g 頻率范圍：0.5-8000Hz（10%) 分辨率：0.0002g 線性：≤1% 橫向靈敏度：≤5% 典型值：≤3% 溫度范圍：-40~+120℃ 用途：模態(tài)試驗,LC0101,第六章 壓電式傳感器,LC0106,靈敏度：1000mV/g 量程：5g 頻率范圍：0.04-1500Hz（10%) 分辨率：0.00002g 重量：200gm 安裝螺紋：M5 mm 線性：≤1% 橫向靈敏度：≤5% 典型值：≤3% 溫度范圍：-40～+120℃ 用途：超低頻、小g測量,第六章 壓電式傳感器,二、壓電式力和壓力傳感器,按用途和壓電元件的組成可分為單向力、雙向力和三向力傳感器。,左圖是壓電式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，它主要由石英晶片、膜片、薄壁管、外殼等組成。石英晶片由多片疊堆放在薄壁管內(nèi)，并由拉緊的薄壁管對石英晶片施加預(yù)載力。感受外部壓力的是位于外殼和薄壁管之間的膜片，它由撓性很好的材料制成。,第六章 壓電式傳感器,ULT25系列 壓電石英力傳感器,ULT25系列產(chǎn)品可用于測量動態(tài)、短期靜態(tài)的振動和沖擊力，機(jī)械結(jié)構(gòu)的拉伸和壓縮力。與激振器配合，能夠測量和控制激振力。與加速度、速度傳感器配合，可測量機(jī)械阻抗。,ULT0501 ULT0502 ULT0503,壓電式腳踏報警器,第六章 壓電式傳感器,第六章 壓電式傳感器,三、壓電式超聲波傳感器,超聲波傳感器（又稱超聲波探頭），按其作用原理分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，其中以壓電式為最常用。 壓電式超聲波探頭是利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，產(chǎn)生超聲波（發(fā)射探頭）。 利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲波振動轉(zhuǎn)換成電信號（接收探頭）。 由此構(gòu)成的超聲波傳感器可以測量厚度、液位、流量等。(后面第九章會講到),玻璃打碎報警裝置,第六章 壓電式傳感器,交通監(jiān)測,,第六章 壓電式傳感器,海嘯預(yù)警系統(tǒng),第六章 壓電式傳感器,6.6.1 非線性 壓電傳感器的幅值線性度是指被測物理量(如力、壓力、加速度等)的增加，其靈敏度的變化程度。 6.6.2 橫向靈敏度 壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動時的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來表示，稱為橫向靈敏度比。,6.6 影響壓電式傳感器精度的因素分析,下頁,上頁,返回,6.6.3 環(huán)境溫度的影響 環(huán)境溫度的變化對壓電材料的壓電常數(shù)和介電常數(shù)的影響都很大，它將使傳感器靈敏度發(fā)生變化，壓電材料不同，溫度影響的程度也不同。當(dāng)溫度低于400℃時，其壓電常數(shù)和介電常數(shù)都很穩(wěn)定。 6.6.4 濕度的影響 環(huán)境濕度對壓電式傳感器性能的影響也很大。如果傳感器長期在高濕度環(huán)境下工作，其絕緣電阻將會減小，低頻響應(yīng)變壞。,下頁,上頁,返回,6.6.5 電纜噪聲 為了減小這種噪聲?？墒褂锰刂频牡驮肼曤娎|，同時將電纜固緊，以免產(chǎn)生相對運動。 6.6.6 接地回路噪聲 在測試系統(tǒng)中接有多種測量儀器，如果各儀器與傳感器分別接地，各接地點又有電位差，這便在測量系統(tǒng)中產(chǎn)生噪聲。防止這種噪聲的有效辦法是整個測量系統(tǒng)在一點接地。而且選擇指示器的輸入端為接地點。,下頁,上頁,返回,,此外還存在有聲場效應(yīng)、磁場效應(yīng)及射頻場效應(yīng)、基座應(yīng)變效應(yīng)等因素。,