[工学]第五章压电式传感器

1、第五章第五章 压电式传感器压电式传感器一压电效应一压电效应和逆和逆压电效应压电效应 某些晶体电介质材料，在一定方向上对其某些晶体电介质材料，在一定方向上对其施加施加外力外力使之变形，在其表面将使之变形，在其表面将产生电荷产生电荷，去掉外力，去掉外力，电荷消失；反之，在其表面电荷消失；反之，在其表面施加电场施加电场，将产生，将产生机械机械变形。变形。二压电材料二压电材料压电晶体压电晶体压电半导体压电半导体压电陶瓷压电陶瓷有机高分子压电材料有机高分子压电材料压电晶体高分子压电材料压电陶瓷压电材料的主要特性参数有： 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。 弹性

2、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。 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。 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。 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。 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。 19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里

3、点居里点“。 以石英晶体为例，石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。下图表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。三、工作原理三、工作原理 石英晶体各个方向的特性是不同的。 纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作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z方向的力作用时不产生压电效应。 xzy光轴机械轴电轴 当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120夹角的电偶极

4、矩P1、 P2、P3, P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,硅离子1被挤入氧离子2和6之间，而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。正负电荷重心不再重合,在x轴的方向出现电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 当受y轴方向的压力时,硅离子3和氧离子2，及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在x轴的端面上又呈现电荷，但与图(b)的极性正好相反。 如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和

5、y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。 从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在x或y轴向施力时，在与x轴垂直的面上产生电荷，电场方向与x轴平行，在z轴方向施力时，不能产生压电效应。xFDq11yFDq22纵向效应纵向效应：横向效应横向效应：切向效应：切向效应：FDq33xyFx+ + + +- - - - - -FxxyFy+ + + + +- - - - - - -Fy+ + + + +- - - - - - -FyFy

6、四、四、 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器的基本原理：压电材料的压电效应，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。 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，这实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。压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，故适用于动态测量。 为灵敏度，常用两片同型号压电元件粘结在一起。两种接法：相同极性端粘结：负端粘结在一起，中间插入的金属电极为负极，正电极在两边的电极上。类似电容的并联。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

7、出电压与单片时相同。不同极性端粘结 ：类似两个电容的串联的，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。 (a)(b)图6-5 压电元件连接方式 (a) 相同极性端粘结； (b) 不同极性端粘结 (a)(b) 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。 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，如下图

8、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。 压电元件变形方式厚度变形( TE ); (b) 长度变形( LE )； (c) 体积变形( VE )； (a) 面切变形( FS )； (e) 剪切变形( TS ) F(a)(b)(c)FFFF(d )(e) 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、 压交变力及剪力和扭矩。 五、等效电路

9、五、等效电路 在压电晶片的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜，在压电晶片的两个工作面上进行蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当金属片受力时，在晶片两表面出现数构成两个电极。当金属片受力时，在晶片两表面出现数值相等极性相反的电荷，形成电场。因此，可等效为一值相等极性相反的电荷，形成电场。因此，可等效为一个个有源的电容器有源的电容器。ACra0aCqU0等效电容等效电容：开路电压：开路电压：接入后续电路，等效电路：接入后续电路，等效电路：传感器传感器连接电缆寄生电容连接电缆寄生电容测量电路测量电路RCjZRRRRRRRCCCCeqaiaiaiica11/等效阻抗C电荷源电压源六、测量电路六、测量电路对

10、测量电路的要求：对测量电路的要求：由于压电材料内阻都很高， 输出的信号能量都很小，这就要求测量电路的 输入电阻输入电阻应非常大大。测量电路构成：测量电路构成：在压电式传感器的输出端先接 入高输入阻抗的前置放大器前置放大器，然后再接入一般一般 放大电路。放大电路。 前置放大器有两个作用：(1)放大传感器输出的微弱信号； (2)将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。 前置放大器种类：前置放大器种类：电压型电压型和电荷型电荷型两种形式。 1 1、电压型放大器、电压型放大器电压放大器KeyeiRCjZRRRRRRRCCCCeqaiaiaiica11/等效阻抗当当Ri和和Ra很大时，可忽略电阻的影响很大

11、时，可忽略电阻的影响CjRCjZeq111icaiyCCCFdKCqKKee输出电压连接电缆寄生电容连接电缆寄生电容问题：问题：输出电压与电缆电容有关。如果电缆长度变化，输出电压也随之变化。使用时电缆长度受到限制。解决办法：解决办法：将放大器装入传感器中，组成一体化传感器。2 2、电荷型放大器、电荷型放大器电荷放大器-KU0UiCfaciCCCC()aiaiRR RRR， 当Ra和Ri很大时，可忽略电阻的影响 fCKCqKU)1 (0输出电压0()iifqU CUUC0iUKU fCKCK)1 ( 足够大时如果ffyCqCKCqKe)1 (输出电压优点优点: 放大器输出电压只与传感器的电荷量及

12、反馈电容有关。无需考虑电缆的电容，为远距离测试提供了很大的方便。压电式传感器七、压电传感器的应用1 压电式测力传感器压电式测力传感器 下图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。 压力式单向测力传感器结构图 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的测力范围为050N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。 2 压电式加速度传感器压电式加速度传

13、感器 下图一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、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。 压电式加速度传感器结构图 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数， 即 F=ma式中：F质量块产生的惯性力； m质量块的质量； a加速度。 此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为 q=d11F=d11ma E.N1000手持式测振仪手持式测振仪和电子听诊器和电子听诊器 压电式传感器的应用-振动的测量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 图是利用压电传感器测量刀具切削力的示意图。 压电陶瓷元件的自振频率高，适合