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1、優(yōu)秀精品課件文檔資料 6.1壓電效應及壓電材料6.2壓電傳感器測量電路6.3壓電式傳感器的應用 第6章 壓電式傳感器返回主目錄 第6章 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, 是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時, 其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(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, 因此在各種動態(tài)力、 機械沖擊與振動的測量, 以及聲學、 醫(yī)學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。 6.1 壓電效應及壓電材料 某些電介質(zhì), 當沿著一定方向?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)生符號相反的電荷,

2、 當外力去掉后, 其又重新恢復到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱壓電效應。 當作用力方向改變時, 電荷的極性也隨之改變。 有時人們把這種機械能轉為電能的現(xiàn)象, 稱為“正壓電效應” 。 相反, 當在電介質(zhì)極化方向施加電場, 這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形, 這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。具有壓電效應的材料稱為壓電材料, 壓電材料能實現(xiàn)機電能量的相互轉換, 如圖6 - 1所示。 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應, 但壓電效應十分微弱。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。 壓電材料可以分為兩大類: 壓電晶體和壓電陶瓷 。 壓電材料的主要特性參數(shù)有: （1）

3、 壓電常數(shù)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù), 它直接關系到壓電輸出的靈敏度。 （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; 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 （4） 機械耦合系數(shù)在壓電效應中, 其值等于轉換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根; 它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數(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） 居里點壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。 一、 石英晶體 石英晶體

4、化學式為SiO2, 是單晶體結構。圖6- 2（a）表示了天然結構的石英晶體外形。它是一個正六面體。 石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸 z 稱為光軸, 經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的 x 軸稱為電軸, 與 x 和 z 軸同時垂直的軸 y 稱為機械軸。通常把沿電軸x 方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”, 而把沿機械軸y 方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。 而沿光軸z 方向受力時不產(chǎn)生壓電效應。 若從晶體上沿 y 方向切下一塊如圖 6 - 2（c）所示晶片, 當在電軸方向施加作用力時, 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷, 其大小為 qx = d11 f

5、x (6 - 1) 式中: d11x方向受力的壓電系數(shù); fx作用力。 若在同一切片上, 沿機械軸y方向施加作用力fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy, 其大小為 q y=d12 fy （6 - 2） 式中: d12y軸方向受力的壓電系數(shù), d12=-d11; a、 b晶體切片長度和厚度。 電荷qx和qy 的符號由所受力的性質(zhì)決定。 石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結構有關。圖6 - 3是一個單元組體中構成石英晶體的硅離子和氧離子, 在垂直于z軸的xy平面上的投影, 等效為一個正六邊形排列。圖中“”代表Si4+離子, “”代表氧離子O2-。 當石英晶體未受外力作用時, 正、負離子正好分布

6、在正六邊形的頂角上, 形成三個互成120夾角的電偶極矩P1、 P 2、P3。 如圖 6 - 3（a）所示。 因為P=qL, q為電荷量, L為正負電荷之間距離。 此時正負電荷重心重合, 電偶極矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, 即呈中性。 當石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時, 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形, 正負離子的相對位置也隨之變動。如圖 6 - 3（b）所示, 此時正負電荷重心不再重合, 電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零, 即（P 1+P2+P3）x 0 。 在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷, 電偶極矩在y方向上的分量仍為

7、零, 不出現(xiàn)電荷。 當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時, 晶體的變形如圖6 - 3（c）所示, 與圖6 - 3（b）情況相似, P1增大, P2、P3 減小。 在x軸上出現(xiàn)電荷, 它的極性為x軸正向為負電荷。 在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。 如果沿z軸方向施加作用力, 因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同, 所以正負電荷重心保持重合, 電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力, 晶體不會產(chǎn)生壓電效應。 當作用力fx、fy的方向相反時, 電荷的極性也隨之改變。 二、 壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。 材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇, 它有一定的極化方向, 從而存在電場。

8、 在無外電場作用時, 電疇在晶體中雜亂分布, 它們的極化效應被相互抵消, 壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性, 不具有壓電性質(zhì)。如圖 6 - 4（a）所示。 在陶瓷上施加外電場時, 電疇的極化方向發(fā)生轉動, 趨向于按外電場方向的排列, 從而使材料得到極化。外電場愈強, 就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。 讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度, 即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時, 外電場去掉后, 電疇的極化方向基本不變, 即剩余極化強度很大, 這時的材料才具有壓電特性。 極化處理后陶瓷材料內(nèi)部仍存在有很強的剩余極化, 當陶瓷材料受到外力作用時, 電疇的界限發(fā)生

9、移動, 電疇發(fā)生偏轉, 從而引起剩余極化強度的變化, 因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化。這種因受力而產(chǎn)生的由機械效應轉變?yōu)殡娦? 將機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象, 就是壓電陶瓷的正壓電效應。電荷量的大小與外力成正比關系: q = d33 F (6- 3) 式中: d 33 壓電陶瓷的壓電系數(shù); F作用力。 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多, 所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關, 它的參數(shù)也隨時間變化, 從而使其壓電特性減弱。 最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后

10、燒結而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍, 但使用溫度較低, 最高只有70 , 溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列）, 它是鈦酸鋇（BaTiO 3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成的Pb（ZrTi）O3。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。 鈮鎂酸鉛是 20 世紀 60 年代發(fā)展起來的壓電陶瓷。 它由鈮鎂酸鉛(Pb（Mg Nb ）O3)、 鋯酸鉛(PbZrO3)和鈦酸鉛(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的壓電陶瓷, 具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度, 而且能承受較高的壓力。 31 32 6.2 壓電式傳感器測量電路 一、 壓電式傳感器的等效電

11、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, 晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板, 極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為 Ca= (6 - 4) 式中: A壓電片的面積; d壓電片的厚度; r 壓電材料的相對介電常數(shù)。 d Ar 0 因此, 壓電傳感器可以等效為一個與電容相并聯(lián)的電壓源。 如圖6 - 5（a）所示, 電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關系為 Ua = (6 -5) 壓電傳感器也可以等效為一個電荷源。 如圖6 - 5（b）所示。 壓電傳感器在實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

12、的等效電容C c, 放大器的輸入電Ri, 輸入電容Ci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)中的實際等效電路, 如圖6 - 6所示。aCq 二、 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6 - 7（a）、（b）是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。 在圖6 - 7（b）

13、中, 電阻R = RaRi/(Ra+Ri), 電容C = Ca+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wtUwtCdFu mama sinsin 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, 其復數(shù)形式為)(1 aii CCjwRjwRdfU 的幅值為 iU imU )(1 22 icamim CCCR RdFU 輸入電壓和作用力之間相位差為 )(arctan2 RCCC ica 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

14、1, 那么由式（6 - 8）可知, 理想情況下輸入電壓幅值Uim為 ica mim ccc dFU 式（6 - 10）表明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關。一般認為/03時, 就可以認為Uim與無關, 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, 但是, 當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, 因為電荷會通過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R（Ca+ Cc+Ci）1 時, 放大器輸入電壓Uim如式（6 - 10）所示。式中Cc為連接電纜電容, 當電纜

15、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。 2. 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和高增益運算放大器構成, 當略去R a和Ri并聯(lián)電阻后, 電荷放大器可用圖6 - 8 所示等效電路, 圖中A為運算放大器增益。由于運算放大器輸入阻抗極高, 放大器輸入端幾乎沒有分流, 其輸出電壓Uo為 Uo UCf = fcq 式中: Uo放大器輸出電壓; UCf反饋電容兩端電壓。由運算放大器基本特性, 可求出電荷放大器的輸出電壓 ica CCC AqU 0 通常A=104106, 因此若

16、滿足（1+A）Cf Ca+c+Ci時, 式（6 - 2）可表示為 Uo - fcq 由式（6 - 13）可見, 電荷放大器的輸出電壓Uo與電纜電容Cc無關, 且與q成正比, 這是電荷放大器的最大特點。 6.3 壓電式傳感器的應用 一、 壓電式測力傳感器 圖 6 - 9 是壓電式單向測力傳感器的結構圖, 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, 通過d11實現(xiàn)力電轉換。 石英晶片的尺寸為81 mm。該傳感器的測力范圍為050

17、 N, 最小分辨率為0.01, 固有頻率為5060 kHz, 整個傳感器重10g。 二、 壓電式加速度傳感器 圖 6 - 10 是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。 它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預壓彈簧、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, 此慣性力是加速度的函數(shù), 即 F=ma （6 - 14） 式中: F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力; m質(zhì)量塊的質(zhì)量; a加速度。 此時慣性力F作用于壓電元件上, 因而產(chǎn)生電荷q, 當傳感器選定后, m為常數(shù), 則傳感器輸出電荷為 q=d11F=d11m

18、a （6 - 15） 與加速度a成正比。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 6 - 11 是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, 當進行切削加工時, 切削力通過刀具傳給壓電傳感器, 壓電傳感器將切削力轉換為電信號輸出, 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。傳感器把振動波轉換成電壓輸出

19、 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)部電路見圖 6 - 12 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。 報警器的電路框圖見圖 6 - 13。 使用時傳感器用膠粘貼在玻璃上, 然后通過電纜和報警電路相連。為了提高報警器的靈敏度, 信號經(jīng)放大后, 需經(jīng)帶通濾波器進行濾波, 要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。 由于玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內(nèi), 這就使濾波器成為電路中的關鍵。 當傳感器輸出信號高于設定的閾值時, 才會輸出報警信號, 驅(qū)動報警執(zhí)行機構工作。