MPLLecture09压电式传感器

1、1. 压电效应及压电材料2. 压电式传感器测量电路3. 压电式传感器的应用 基于某些材料的压电效应工作的传感器基于某些材料的压电效应工作的传感器压电式传感器压电式传感器1. 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 某些电介质，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”。相反，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）。具有压电

2、效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机电能量的相互转换，如图1所示。 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晶体和压电陶瓷。 图1 压电效应可逆性 压电元件机械量电量1.1 1.1 石英晶体石英晶体 石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiOSiO2 2，是单晶体结构。图，是单晶体结构。图2(2(a a) )表示了表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方

3、向的特性是不同的。个方向的特性是不同的。 其中纵向轴其中纵向轴z z称为光轴，经过六面称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的体棱线并垂直于光轴的x x称为电轴，与称为电轴，与x x和和z z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y y称为机械轴。称为机械轴。 通常把沿电轴通常把沿电轴x x方向的力作用下产生电荷的压方向的力作用下产生电荷的压电效应称为电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”， 而把沿机械轴而把沿机械轴y y方向的力作方向的力作用下产生电荷的压电效应称为用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”。 而沿光轴而沿光轴z z方向的力作用时不产生压电效应。方向的力作用时不产生压电效应。

4、 图 2 石英晶体(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)图图 3 石英晶体压电模型石英晶体压电模型(a) 不受力时；不受力时； (b) x轴方向受力；轴方向受力； (c) y轴方向受力轴方向受力 yxP1P2P3(a) (b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFyxxFdq11yyFhldq11d11为压电系数（C/N）石英d112.110-12C/N1.2 1.2 压电陶瓷（压电陶瓷的压电系数是石英晶体的几十倍到几百倍。）压电陶瓷（压电陶瓷的压电系数是石英晶体的几十倍到几百倍。）压电陶瓷是人工制

5、造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质, , 如图如图4 4（a a）所示。）所示。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向在陶瓷上施加外电场时，

6、电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性, , 如图如图4 4（b b）所示。所示。 1.3

7、 压电式传感器压电式传感器 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。电压）输出。 由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于因此压电式传感器不能用于静态测量静态测量。压。压电材料在交变力的作用

8、下，电荷可以不断补充，以供给测量回电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于路一定的电流，故适用于动态测量动态测量。 压电陶瓷的部分应用利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。 压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。 在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，通电后发出超声波，传到人体碰到人体的组织后产生回波，然后把这回波接收下来，显示在荧光屏上，医生便能了解

9、人体内部状况。 图图 5 压电元件连接方式压电元件连接方式(a) 相同极性端粘结；相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结不同极性端粘结 (a)(b)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，出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号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。的压电元件粘结在一起。图图 6 压电元件变形方式压电元件变形方式(a)厚度变形厚度变形(TE) (b) 长度变形长度变形(LE) (c) 体积变形体积变形(VE) (d)面切变形面切变形(FS) (e) 剪切变形剪切变

10、形(TS) F(a)(b)(c)FFFF(d )(e)2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 2.1 压电式传感器的等效电路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作一个电由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。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，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， 则其电容量为则其电容量为 dACra0图图7 压电元件的等效电路压电元件的等效电路（a） 电压源电压源 （b） 电荷源电荷源

11、 CauaCaq(a)(b)图图6-8 压电传感器的实际等效电路压电传感器的实际等效电路 （a） 电压源电压源; （b） 电荷源电荷源 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，压电传感器在测量系统中的实际等效电路， 如图 8所示。 2.2 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，其测量压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，其测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大

12、器。其作用为： 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号， 因此因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。 1) 电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）图图 9 电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大器电路原理及其等效电路图（a） 放大器电路放大器电路; （b） 等效电路等效电路 设压电元件为压电陶瓷，在交变力 作用下，产生的电荷为：

13、 tFFmsintFdFdqmsin3333tCFdUamasin33放大器输入电压 为：iU)(133CCRjRjFdUami放大器输入电压 的幅值为：iU22233)(1CCRRFdUamim 输入电压 与作用力 的相位差为： iUF)(arctan2CCRa传感器的电压灵敏度为： 2233)()(1CCRdFUkamimu若被测信号的频率足够高，即 ，则传感器的灵敏度为： 1RicaauCCCdCCdk3333上式表明，由于电缆电容 及放大器输入电容 的存在，使灵敏度减小。如果更换连接电缆，则必须重新校正灵敏度，以保证其测量精度。 iCCC 2) 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器常作为压

14、电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高， 放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。 fdoCquu式中 ： uo放大器输出电压； ucf反馈电容两端电压。 图图6-10 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路若忽略压电元件的绝缘电阻 和放大器的输入电阻 ，根据虚地原理应将 折合到放大器输入端，得： iRaRaRfCffCkC)1 ( fciaoCkCCCkqU)1 ( 输出电压为： )()1 (ciafCCCCk只要开环放大倍数足够高，满足 ，则上式可简化为： foCqU式中，“-”表示输出信号与输入信号反相。 可见，输出电压 正比

15、于输入电荷q，传感器灵敏度与分布电容无关，因此连接电缆可长达数百米，甚至千米，灵敏度却无明显下降，显示了电荷放大器的突出优点。 oU3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 3.1 压电式测力传感器压电式测力传感器 图图11是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 图图11 压力式单向测力传感器结构图压力式单向测力传感器结构图 3.2 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 图图12是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元

16、件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。外壳内，并由螺栓加以固定。 图图12 压电式加速度传感器结构图压电式加速度传感器结构图 3.3 压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 图13是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时， 切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。 图13 压电式刀具切削力测量示意图 压电传感器输出信号3.4 压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器， 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图6-14所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为10