第6章压电式传感器

第6章压电式传感器主要内容：1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.等效电路与测量电路5.压电传感器的应用要点：压电式传感器原理（压电效应，压电材料），测量电路应用；概述：压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，在外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量，压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用（晶振）。6.1压电效应图6-1压电效应原理示意图由物理学知道，自然界32种晶体点阵中，有中心对称和非对称两大类，在非中心对称的21种中，有20种有压电效应。压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。某些电介质（晶体），当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变对中心对称的晶体，无论如何施力，正负电荷中心重合，极化强度（电矩）等于零，不显极性。对非对称的晶体，F(x)=0时，晶体正负电荷中心重合，对外不显极性，但在外力作用改变时，正负电荷中心分离，电矩不再为零，晶体表现出极性。压电效应是可逆的。当在戒介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。所以压电元件可以将机械能转化成电能，也可以将电能转化成机械能。6.2压电材料自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料，压电材料又可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。压电材料的主要参数有：压电常数、弹性常数、介电常数。6.2.1石英晶体天然石英晶体和人工石英晶体都属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈六面体,沿各方向特征不同。沿X方向(电轴)的力作用产生电荷的压电效应称”纵向压电效应”；沿Y方向的(机械轴)的力作用产生电荷的压电效应称”横向压电效应”；沿Z方向的(光轴)的力作用时不产生压电效应。图6-2石英晶体切割方向压电特征可以用矩阵表示，压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系：(d压电系数)沿z轴切一块晶体，在X轴方向施力时,产生电荷大小为：为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为：Y方向应力压电系数为常数：a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)。石英晶体的上述特征与内部分子结构有关,电偶极矩分布受到应力时分别为：①当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，形成夹角的电偶极矩，晶体呈中性。②晶体受沿X轴方向应力时，X方向压缩形变，电偶极矩，正负离子相对位置变化，在X轴的正方向出现正电荷，Y方向分量为零不出现电荷；③晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷，Y方向分量为零不出现电荷。④晶体受沿Z轴方向的应力时，X，Y方向产生形变相同，不产生压电效应。图6-3石英晶压电模型⑤当应力方向是拉力时，电荷极性与上述相反。6.2.3压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，他有一定的极化方向。（a）未极化（b）电极化图6-4压电陶瓷无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场越强，电畴转向外电场的越多。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：电荷密度：（是压电陶瓷的纵向压电常数）比、大的多，所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度高。目前人造晶体逐渐被淘汰压电传感器更多采用压电陶瓷，常用的压电陶瓷是锆酸铅和钛酸钡组成。注：电极化的压电陶瓷受温度影响，又使压电特性减弱。刚刚极化后的压电陶瓷特性不是很稳定，经两三个月才近似常数，经两年后，又会下降，所以此传感器要经常校准修正。6.3压电元件结构形式在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，单片受拉、受压时电荷上的极性不同。双片连接时：按连接，受力时一片受拉，一片受压，晶片上电荷为，负电荷集中在中间，电路并联按接，受力时，正负电荷分别在上、下，中间为中性，正负抵消，电路串联为改善机电耦合性能，两陶瓷片之间用导电胶粘连成用金属薄片胶合在一起。图6-5压电元件连接方法6.4等效电路与测量电路6.4.1压电传感器等效电路压电传感器可以看成一个电荷放大器，等效为电荷源：也是一个电容器，等效电量为（S为压电片面积，d压电片厚度）压电元件两侧正负电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联，或等效为一个电荷源Q和一个电容并联。传感器接测量电路时，还要考虑电缆等效电容放大器输入电阻输入电容传感器泄露电阻的影响。等效电路为压力传感器时有两种电压灵敏度：电荷灵敏度：它们之间的关系：图6-6压电传感器等效为电压源由等效电路可见，只有在负载无穷大，内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保存下来,如果负载，电路要以时间放电。图6-7压电传感器等效为电荷源因此，当测量变化频率较低时，必须保证很大，达到几百K以上，使足够大。压电传感器的输出信号很弱，内阻很高，需要低噪声电缆传输。前置放大器有很高的输入阻抗。6.4.2测量电路前置电路有两个作用，一是放大微弱的信号，二是阻抗变换（将传感器高阻输出→低阻输出）。根据等效电路，压电元件输出可以是电压源，也可以是电荷源。因此，前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。电压放大器（阻抗变换器）如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化时：产生的电荷与电压也按正弦变化：电压幅值：图6-8电压放大器电路原理及等效电路电压放大器送放大器的输入端的电压写成复数形式为：输入的幅值（复数模）：输入电压与力之间的相差：当时，（或），表示力作用的频率。输入电压幅值：（理想情况）传感器电压灵敏度：前置放大器实际输入电压与理想输入电压的比值为：令为前置放大器输入回路的时间常数，有相对幅频特性：（相对幅频特性）式中：讨论：压电传感器不能测量静态物理量。因输出为零（前置输入为零）当输入与的频率无关，高频响应好，动态特性好（突出优点）。，为下限工作频率，。提高低频响应的办法是增大，但不能靠输入电容。实际办法是增大前置输入回路电阻，增大低频响应好。所以，电压放大器要求具有高输入阻抗。从，可见，连接电缆的分布电容影响传感器灵敏度，使用时更换电缆就要求重新标定，测量系统对电缆长度变化很敏感，这是电压放大器的缺点。电荷放大器为解决电缆分布电容对传感器灵敏度的影响，低频响应差的缺点，可采用电荷放大，而且集成运放组成的电荷放大器有较好的性能。电荷放大器是种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。实际上是利用电容作反馈元件的深度负反馈的高增益运放。因为高输入阻抗（无分流），输出电压为：根据远放基本特性f↑f工作频率足够高时忽略（1+A）可求得电荷放大器输出电压为：图6-9电荷放大器电路原理及等效电路当A1，满足时，可认为：可见：电荷放大器中，输出电压与电缆电容无关，与Q成正比，与成反比这是电荷放大器的实际优点，但电路复杂，价格昂贵，使用电荷放大器，电缆长度变化影响高思路，并且允许使用长电缆。举例：该电路阻抗变换电路原理是，用场放应管实现高阻抗匹配放大自举反馈电路（跟随器）。分压经耦合作场放映管偏置观察两端电压，信号经耦合到一端A由于场放应管跟随作用，源珊间电压大小近似相等，相位相同该信号通过耦合到另一端B，这时两端电压近似相等，流过的电图6-9放大自举反馈电路原理流很小，也就是说场效应管的输入阻抗并没有因为分压电路的存在而降低，为获得好的自举效果，要求电容（自举电容）足够大，要求容抗与的比值小于1%。6．5压电传感器的应用压电晶体振荡器；加高变电压（电→机）→振动→晶体变形（机→电）→产生电荷→输出，电路提供能量维护振荡，频率是警惕固有频率。压电加速度计传感器。压电式玻璃破碎报警器。血压测量。血臂动时反射信号有多普勒频移一张一舒。压电换能器，声，发射（扬声器）、接收（麦克风）、收听器、超声波换能器。图6-10压电式玻璃破碎传感器及电路框图新型压电材料（聚偏二氟乙烯）石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺点容度大，易碎。不耐冲击，难加工，难以做成轻小柔软的压电元件。，能很好的克服这一缺点。是一种良好的热塑性工程材料（铁电木材料）有相当高的压电效应，比石英高十倍，比压电陶瓷低十倍，轻软，可植入人体内。投币计数传感器。压电材料使用高分子偏二氟乙烯（）压电膜容度小，柔性好。可按需要形状制成薄片。用双面胶直接粘在被测体上（利用振动将电荷信号传输给放大器）。本章要点：1．压电效应、压电材料以及压电元件、结构形式；2．压电传感器等效电路与测量电路（1）电压放大器，（2）电荷放大器；3．压电传感器的应用