压电型传感器与测量电路

第五章压电型传感器与测量电路压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是一种典型的有源传感器。通过材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。5.1压电效应及压电材料5.1.1压电效应及压电材料某些离子型晶体电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。利用正压电效应，人们制成了加速度传感器等器件。当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。利用电致伸缩效应，人们制作了超声波发生器，用于金属材料探伤等领域。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机一电能量的相互转换，如图5-1所示。FF极化面Q压电介质正压电效应逆压电效应T(S)电能Q(E)机械能图5-1压电效应(a)(b)+-在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数有：①压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。②弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。③介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。④机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。⑤电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。⑥居里点温度：它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。5.1.2压电材料的加载结构压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷(或电压)输出。单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片(或两片以上)同型号的压电元件粘结在一起。由于压电材料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。如图5-2所示，从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。图5-2(a)是两个压电片的负端粘结在一起，中间插入的金属电极成为压电片的负极，正电极在两边的电极上。从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图5-2(b)是两压电片不同极性端粘结在一起，从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。图5-2压电元件的连接方式（a）相同极型端粘接——并联（b）不同极性端粘接——串联压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图5-3所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此，在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力与扭矩。图5-3压电元件加载方式5．2压电式传感器的测量电路5.2.1压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看做一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为dACa0因此，压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图5-4(a)所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为aaCqU压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图5-4(b)所示。CaUaCaQ(a)(b)图5-4压电元件的等效电路（a）电压源（b）电流源压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样一来，压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图5-5所示。图5-5压电传感器的实际等效电路（a）电压源（b）电流源CaUaCaQ(a)(b)CcRaRiCiRiCiCcRa5.2.2压电式传感器的测量电路1．电压放大器(阻抗变换器)电压放大器(阻抗变换器)因其电路简单、成本低、工作稳定可靠而被采用。目前解决电缆干扰的有效措施是采用与传感器一体化的超小型阻抗变换器，如图5-6(a)所示，它用于组合一体化压电加速度传感器（ICP型加速度传感器）。这种传感器的信号输出，可采用普通的同轴电缆，二线制传输，中心线接电源正极，屏蔽网接地，这个电路是做在一块专用硅片上，安放在传感器探头中。采用恒流源供电，2～10mA（12～28VDC），其后续仪表电路见图5-7。图5-6阻抗变换器电路图图5-6(b)为国产ZK一2型阻抗变换器。电路第一级为MOS场效应源输出器；第二级用3AX构成对输入的负反馈，以进一步提高输入阻抗，降低输出阻抗。两只二极管2CP作过载保护，并有一定的温度补偿作用。其主要性能指标：输入阻抗大于2000MΩ,，输出阻抗小于100Ω，频率范围2Hz～100kHz，电压增益±0.05dB，动态范围200μV～5V。图5-7中，恒流源PS输出的4mA电流（各公司产品存在差异），因隔直电容C的作用，全部要通过加速度传感器的阻抗变换电路。随加速度的变化，阻抗也变化，引起阻抗变换电路两端电压的变化，电压的变化通过电容C，经放大器A输出。当无加速度变化时，输出为零。注意：C与R组成了高通滤波器电路，因此应根据需要合理地选择C、R参数。图5-7ICP型加速度计测量电路2．电荷放大器电路电荷放大器的电路图如图5-8所示。它的特点是，能把压电器件高内阻的电荷源变换为传感器低内阻的电压源，以实现阻抗匹配，并使其输出电压与输入电荷成正比；而且，传感器的灵敏度不受电缆变化的影响。图5-8电荷放大器的具体电路之一图5-8的电荷放大器电路中通过频率fH的上限主要取决于压电元件的Ca、电缆电容Cc和电缆电阻Rc，它们构成第一级低通滤波器，其上限截止频率fH按式（5-3）计算3．压电加速度传感器的集成信号处理电路TB6066FNG是东芝公司生产的振动传感器集成电路，它集成了100MΩ高输入阻抗差分放大器、基准电压源、缓冲放大器、比较器等电路。工作电源电压为2.7～5.5V。FB6066振动传感器电路如图5-9所示。图5-9TB6066FNG压电传感器电路图压电式振动传感器S输出信号加到TB6066的1脚、16脚，经差分放大后从14脚输出，C3、R1耦合到运算放大器A3进一步放大后从5脚输出。5脚输出的信号可以送往其他电路，也可以送到6脚与内部的比较器进行电压比较，比较后从7脚输出低电平信号。电路的外部增益调节由R2／R1决定，假设压电式传感器的灵敏度Qs=0.34（Pc/g），R1=10KΩ，R2=100KΩ，欲测加速度最大值为5g。g为作用于传感器上的加速度大小，1g=9.8m/s2。各项阻、容参数的计算如下：1）计算电容C1，C2（pF）)(4.052121VRRCgQS公式中的常数5可能是A3的前级放大器固定增益为5倍，满量程5g时输出电压0.4V。5.3压电式传感器的应用5.3.1压电式测力传感器1．单向力传感器一种用于机床动态切削力测量的单向压电石英力传感器的结构如图5-11所示。压电元件采用xy(即x0°)切型石英晶体，利用其纵向压电效应，实现力一电转换。它用两块晶片(Φ8mm×1mm)作传感元件，被测力通过传力上盖l使石英晶片2沿电轴方向受压力作用，由于纵向压电效应使石英晶片在电轴方向上出现电荷，两块晶片沿电轴方向并联叠加，负电荷由形电极3输出，压电晶片正电荷一侧与底座连接。两片并联可提高其灵敏度。压力元件弹性变形部分的厚度较薄，其厚度由测力大小决定。这种结构的单向力传感器体积小、质量轻(仅10g)，固有频率高（约50～60kHz)，可检测高达5000N的动态力，分辨率为10-3N。图5-11YDS-781压电式力传感器1.传力上盖；2.石英晶片；3.电极4.底座；5.电极引出头；6.绝缘材料图5-12双向压电式力传感器（a）双向力传感器；（b）yx切型示意图2．双向力传感器双向力传感器基本用于测量垂直分力Fx与切向分力Fy，以及测量互相垂直的两个切向分办，即Fx和Fy。无论哪一种测量，传感器的结构形式相似。图5-12所示为双向压电石英晶片的力传感器结构，两组石英晶片分别测量两个分力，下面一组采用xy(x0°)切型，通过dll实现力一电转换，测量轴向力Fx；上面一组采用yx(y0°)切型，晶片的厚度方向为y轴方向，在平行于x轴的剪切应力σ6(在xy平面内)的作用下，产生厚度剪切变形。所谓厚度剪切变形是指晶体受剪切应力的面与产生电荷的面不共面，如图5-12(b)所示。这一组石英晶体通过d26实现力一电转换来测量Fy。5.3.2压电式加速度传感器1．工作原理图5-13所示为压电式加速度传感器的结构原理图。压电元件由两块压电片(石英晶片或压电陶瓷片)组成，在压电片的两个表面上镀银并焊接输出引线，或在两块压电片之间夹金属薄片，输出引线焊接在金属薄片上，输出端的另一根引线直接与传感器基座相连。在压电元件上，以一定的预紧力安装一惯性质量块，整个组件装在一个厚基座的金属壳体中。图5-13压电式加速度传感器测量时，通过基座底部的螺孔将传感器与试件刚性地固定在一起，传感器感受与试件相同频率的振动。由于压紧在质量块上的弹簧刚度很大，质量块的质量相对较小，可认为质量块的惯性很小，所以质量块也感受与试件相同的振动。质量块以正比于加速度的交变力作用在压电元件上，压电元件的两个表面就有交变电荷产生，传感器的输出电荷(或电压)与作用力成正比，即与试件的加速度成正比。2．结构形式压电式传感器的结构形式主要有压缩型、剪切型和组合型三种。1)压缩型压缩型压电式加速度传感器的结构如图5-14所示。图5-14(a)为正装中心压缩式，质量块和压电片通过中心螺栓固紧在基座上形成独立的体系，与易受非振动环境干扰的壳体分开，壳体仅起防护和屏蔽作用。图5-14(b)为改进型的隔离基座压缩式，图5-14(c)为改进型的倒装中心压缩式，这两种结构都可以避免基座变形影响。图5-14(d)为双筒双屏蔽的新颖结构，除了外壳起屏蔽作用外，预载套筒也起内屏蔽作用。预载套筒横向刚度大，大大提高了传感器的综合刚度和横向抗干扰能力。图5-14压缩型压电式加速度传感器2)剪切型剪切型压电式加速度传感器，是利用压电片受剪切应力而产生压电效应的原理制成的，这类传感器的压电片多采用压电陶瓷。按压电片的结构形式不同，又可分为柱形剪切型、三角剪切型、H剪切型等，其结构如图5-15所示。图5-15剪切型压电式加速度传感器3）应用举例图5-16所示为用压电式加速度传感器探测桥墩水下部位裂纹的示意图。通过放电炮的方式使水箱振动(激振器)，桥墩将承受垂直方向的激励，用压电式加速度传感器测量桥墩的响应，将信号经电荷放大器进行放大后送入数据记录仪，再将记录下的信号输入频谱分析设备，经频谱分析后就可判定桥墩有无