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1、第五章第五章 壓電式傳感器壓電式傳感器 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, 其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)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(diǎn), 因此在各種動態(tài)力、 機(jī)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。 首先來看幾個利用壓電式傳感器進(jìn)行測量的例子。壓電傳感器壓電傳感器加速度計(jì)實(shí)物加速度計(jì)實(shí)物力傳感器力傳感器 5.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(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, 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

2、反的電荷, 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, 電荷的極性也隨之改變。 有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象, 稱為“正壓電效應(yīng)” 。 Q=dT其中 Q-束縛電荷 d-壓電常數(shù) T-外應(yīng)力張量 相反, 當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場, 這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)外電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)。其應(yīng)變S與外電場強(qiáng)度E成正比： S=dtE式中 dt逆壓電常數(shù)。 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

3、。隨著對材料的深入研究, 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。 壓電材料主要有兩大類: 壓電晶體和壓電陶瓷。其主要特性參數(shù)有: （1） 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。 d=Q/T（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態(tài)特性。（3） 介電常數(shù)：對于一定形狀、 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)換效率的一個重

4、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)：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。 選用壓電材料應(yīng)考慮以下幾方面的問題。選用壓電材料應(yīng)考慮以下幾方面的問題。 轉(zhuǎn)換特性：較大的壓電系數(shù)，以使壓電傳感器具有較高的靈敏度。 機(jī)械特性：較高的強(qiáng)度與剛度，以獲得較寬的線性范圍和較高的固有頻率。 電氣特性：較高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以削弱外部引線分布電容的影響。 溫度特性：較高的居里點(diǎn)（壓電材料是否具有壓電效應(yīng)的相應(yīng)溫度點(diǎn)），以獲得較寬的溫度范圍。5.2 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 一、一、 壓電材料的等效電路壓電材料的等

5、效電路 由壓電元件的工作原理可知, 壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時, 它也是一個電容器, 晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為 式中: A壓電片的面積; t壓電片的厚度; r壓電材料的相對介電常數(shù)。 0raACt 因此, 壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。 如圖（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 壓電傳感器也可以等效為一個電荷源。 如圖（b）所示。 aaCqU 壓電傳感器在實(shí)際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接, 因此還須考慮連接電纜的分布電容Cc, 放大器的輸入電阻Ri, 輸入電容Ci

6、以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra, 這樣壓電傳感器在測量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路, 如圖所示。 二、二、 壓電式傳感器的測量電路壓電式傳感器的測量電路 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高, 而輸出能量較小, 因此它的測量電路通常需要接入一個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。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號, 也可以是電荷信號, 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（a）、（b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。 在圖（b）中, 電阻R = RaRi/(Ra+Ri), 電容C = Ca+

7、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wtUwtCdFumamasinsin 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)(1caimiCCCjwRjwRdFU 的幅值為iUimU)(122icamimCCCRRdFU 輸入電壓和作用力之間相位差為 )(arctan2RCCCica 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都為無限大, 即（Ca +Cc+Ci）R無限大, 那么由式可知, 理想情況下輸入電壓幅值Uim為icamimcccdFU

8、上式表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)。一般認(rèn)為/03時, 就可以認(rèn)為Uim與無關(guān), 0表示測量電路時間常數(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, 則前置放大器的輸入電壓等于零, 因?yàn)殡姾蓵ㄟ^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)力測量。 當(dāng)R（Ca+ Cc+Ci）和1相比擬時, 放大器輸入電壓Uim表達(dá)式中Cc為連接電纜電容, 當(dāng)電纜長度改變時, 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, 否則將引入測量誤差。

9、 2. 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路, 由一個反饋電容Cf和高增益運(yùn)算放大器構(gòu)成, 當(dāng)略去Ra和Ri并聯(lián)電阻后, 電荷放大器可用圖示等效電路表示。ffiifiCQUUAAUUAUUUUU00000 由此可見, 電荷放大器的輸出電壓Uo與電纜電容Cc無關(guān), 且與q成正比, 這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。因此，采用電荷放大器時，即使連接電纜長度在百米以上，其靈敏度也無明顯變化，這是電荷放大器的突出優(yōu)點(diǎn)。5.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 一種普遍的制作工藝是在壓電晶片的兩個工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個電極。 一、一、 壓電式測力傳感器壓電式測力傳感

10、器 下圖為壓電式單向測力傳感器的結(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, 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。該傳感器的測力范圍為0 50 N, 最小分辨率為0.01, 固有頻率為50 60 kHz, 整個傳感器重10g。 +并聯(lián)并聯(lián)+串聯(lián)串聯(lián)2U=Q/（1/2）C2Q=U2C 為提高傳感器的靈敏度，適應(yīng)不同的測量電路，可將壓電材料串、并聯(lián)使用。 二、二、 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器

11、圖為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物一起受到?jīng)_擊振動時, 壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用, 根據(jù)牛頓第二定律, 此慣性力與加速度a成正比。則傳感器輸出電荷為 q=d11F=d11ma 因此, 測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量 圖為利用壓電陶瓷傳感器測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, 切削力通過刀具 傳給壓電傳感器, 壓電

12、傳感器將切 削力轉(zhuǎn)換為電信 號輸出, 記錄下電 信號的變化便測 得切削力的變化。 四、 壓電式玻璃破碎報警器 BSD2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器, 它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出 輸出電壓經(jīng)放大、 濾波、 比較等處理后提供給 報警系統(tǒng)。 BSD2壓電式玻 璃破碎傳感器的外形 及內(nèi)部電路如圖所示。 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。 五、其他應(yīng)用五、其他應(yīng)用 集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。