压电传感器

第6章压电式传感器压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体quartzcrystal的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器。下页返回图库piezoelectricity第6章压电式传感器6.1压电效应与压电材料6.2等效电路6.3测量电路6.4压电式传感器的应用举例6.5影响压电式传感器精度的因素分析下页上页返回图库6.1压电效应与压电材料一、压电效应某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。具有压电效应的物体称为压电材料。反之，如对晶体施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。也称电致伸缩效应。下页上页返回图库6.1压电效应与压电材料压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电晶体都能在以下变形状态下产生压电效应。压电转换元件受力变形的状态可分为图6-1所示的几种基本形式。例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。下页上页返回图库6.1压电效应与压电材料二、典型材料的压电效应压电材料基本上可分为三大类，即压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。压电晶体是一种单晶体，例如石英晶体；压电陶瓷是一种人工制造的多晶体，例如钛酸钡、锆钛酸铅等；有机压电材料属于新一代压电材料，主要有高分子压电材料。它们的压电特性各有不同。图6-4石英晶体受力方向与电荷极性的关系6.1压电效应与压电材料下页上页返回图库1.石英晶体的压电效应图6-2石英晶体的外形和晶轴石英晶体是SiO2，原先结构对称，电荷呈中性，受到力的作用时，结构发生变化，不同的受力方向会产生不同的压电特性。图6-3石英晶体压电效应示意图在沿着X轴方向力的作用下，会产生电荷，称为纵向压电效应；在沿着Y轴方向力的作用下，也会产生电荷，称为横向压电效应；而沿着Z轴方向受力时，不会产生电荷。6.1压电效应与压电材料石英晶体不但绝缘性能好，机械强度高，而且它的压电温度系数很小，在20－200℃温度范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减小0.016％。除此之外，它的居里温度为575℃，也就是说，当使用温度到575℃时才会失去压电特性。石英晶体资源较少，价格较贵，而且它的压电系数比压电陶瓷的压电系数低很多，因此石英晶体只是在校准用的标准传感器或精度要求很高的传感器中才得到采用。6.1压电效应与压电材料2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种人工制造的多晶铁电体。铁电体：外电场作用下引起的极化现象在外电场除去后不会消失的电介质。压电陶瓷材料必须经过一定温度下的极化处理才具有压电特性。图6-5压电陶瓷的极化过程和压电原理图目前常用的压电陶瓷材料有钛酸钡BaTiO3及锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3。后者压电性能（压电系数高的性能好）和温度稳定性都优于前者。6.1压电效应与压电材料压电陶瓷与石英晶体相比：灵敏度高（压电系数是石英晶体的几十倍）；机械强度低，可承受的压力小；居里点低；压电陶瓷刚刚极化时特性不稳定，经过两三个月后压电系数才能保持为一个常数，经过两年后，压电系数又会下降，所以这类传感器需要经常校准。6.1压电效应与压电材料3.高分子材料的压电效应高分子材料的压电效应比较复杂，可以简单用类似铁电体的机理加以解释。最典型的高分子压电材料是：聚偏氟乙烯图6-6聚偏氟乙烯压电效应高分子材料的压电系数很高，约为压电陶瓷的10倍，另外高分子材料的声阻抗远小于压电陶瓷，而且具有质量轻、机械强度好、是做电声、生物医用传感器很好的材料。聚偏氟乙烯这种高分子材料是在20世纪中期出现的，其中性能最突出、应用最广泛的是聚偏氟二乙烯PVF2，最初它是作为一种优良的热塑性工程塑料问世的，它作为传感材料而崭露头角是从70年代后期开始的，首先是日本学者在1969年报道了这种材料经适当处理后表现出异乎寻常的压电性，随后人们发现了它的热释电性；这些发现引起了传感器界浓厚的兴趣，于是使用这类“敏感”薄膜的传感器在世界各地的实验室诞生，如话筒、扬生器等电声器件中的压电薄膜；利用其压电性能和良好的柔韧性可以应用于心音、血压等生理参数的测量，日本人用这种薄膜研制出胎儿心音换能器；再比如压电薄膜投币传感器的出现等。6.1压电效应与压电材料4.压电方程与压电系数压电元件受到力F作用时，在相应的表面产生电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系：Q=dF,其中d称为压电系数，在确定了施力方向和相应的表面电荷以后，它是一个常数。以石英晶体为例：沿X轴，Qx=d33×Px沿y轴，Qy=-d31(a/b)Py？两个方向同时有作用力呢当晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷可以由一个方程组决定，这个方程组称为压电方程。P118这样压电材料的压电特性就可以用它的压电常数矩阵表示。下页上页返回图库6.2等效电路压电式传感器感受被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为：sCra0式中s--极板面积εr--压电材料相对介电常数0--真空介电常数δ--压电元件厚度下页上页返回图库6.2等效电路当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，此时压电元件的开路电压(认为其负载电阻为无穷大)U为aCQU下页上页返回图库由此可见，只有在外电路负载无穷大，内部也无漏电时，受力所产生的电压U才能长期保存下来。为此在测量一个变化频率很低的参数时，就必须保证负载具有很大的数值，从而保证漏电造成的电压降很小，不致造成显著误差。这时负载常要达到数百兆欧以上。压电传感器的测量特点。6.2等效电路如果把压电式传感器与测量仪表连在一起时，还应考虑到连接电缆电容，如果放大器的输入电阻为Ri,，输入电容为Ci，完整的等效电路为图6－8所示。图6-8压电式传感器测试系统的等效电路这里可以把压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的等效电路，如图6-8(a)中的虚线方框；同时也等效为一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电路，如图6-8的虚线方框所示。其中Ra为压电元件的漏电阻。与压电传感器配用的测量电路，必须是一个高输入阻抗的放大器。为了使放大器有高的输入阻抗，常在压电传感器输出端后面，先接一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。因此压电传感器的测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。前置放大器的作用有两个：第一是把压电传感器的微弱信号放大；第二是把传感器的高输出阻抗变换为低阻抗输出。6.3测量电路下页上页返回图库6.3测量电路根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。6.3测量电路6.3.1电压放大器电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。分析电路图。下页上页返回图库6.3测量电路6.3.2电荷放大器由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器。下页上页返回图库图6-11电荷放大器等效电路分析电路图6.4压电式传感器的应用举例压电元件是一种典型的力敏感元件。传统压电材料构成的压电传感器适合测量压力、振动、加速度等动态测量。新一代高分子材料压电传感器适合生物医学领域测量。下页上页返回图库6.4.1压电式测力传感器图6-13压电式单向测力传感器图6-14压电式压力传感器6.4压电式传感器的应用举例6.4.2压电式加速度传感器图6-15消除振动加速度影响的压电式压力传感器结构图6-16压电式加速度传感器结构原理图下页上页返回图库6.5.1非线性压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。6.5.2横向灵敏度压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示，称为横向灵敏度比。6.5影响压电式传感器精度的因素分析下页上页返回图库6.5影响压电式传感器精度的因素分析6.5.3环境温度的影响环境温度的变化对压电材料的压电常数和介电常数的影响都很大，它将使传感器灵敏度发生变化，压电材料不同，温度影响的程度也不同。当温度低于400℃时，其压电常数和介电常数都很稳定。6.5.4湿度的影响环境湿度对压电式传感器性能的影响也很大。如果传感器长期在高湿度环境下工作，其绝缘电阻将会减小，低频响应变坏。下页上页返回图库6.5影响压电式传感器精度的因素分析6.5.5电缆噪声为了减小这种噪声。可使用特制的低噪声电缆，同时将电缆固紧，以免产生相对运动。6.5.6接地回路噪声在测试系统中接有多种测量仪器，如果各仪器与传感器分别接地，各接地点又有电位差，这便在测量系统中产生噪声。防止这种噪声的有效办法是整个测量系统在一点接地。而且选择指示器的输入端为接地点。下页上页返回图库6.5影响压电式传感器精度的因素分析影响压电式传感器精度除以上分析的几个因素外，还存在有声场效应、磁场效应及射频场效应、基座应变效应等因素。图6-17压电加速度传感器的幅值线性度曲线图6-18横向灵敏度图解图6-19压电加速度传感器横向灵敏度极坐标曲线下页上页返回图库