压电式传感器分类和检测技术

1、压电式传感器分类和检测技术 是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 压电效应压电材料压电式传感器的测量电路一、压电效应正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当

2、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，同时在它的某两个表面上产生极性相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应压电效应石英晶体的压电效应压电陶瓷的压电效应（一）石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ

3、轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴YY方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。 (b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效

4、为正六边形排列的投影+ 当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1P2P30 Y+-X(a) FX=0P1P2P3当晶体受到沿X方向的压力（FX0在Y、Z方向上的分量为：（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。FXXY+FX(b) FX0+-P1P2P3（P1+P2+P3）X0Y+-X-+FXFXP2P3P1+当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其变化情况如

5、图（c）。此时电极矩的三个分量为在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 (c) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+FXXY+FX(b) FX1，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时。前置放大器的输入电压Uim与频率无关。一般认为/03，可近似看

6、作输入电压与作用力频率无关。这说明，在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。 结合：但是，当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会造成传感器灵敏度下降，因而要扩大工作频带的低频端，就必须提高测量回路的时间常数。但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数，会影响传感器的灵敏度。根据传感器电压灵敏度Ku的定义得:因为R1，故上式可以近似为因为R1，故上式可以近似为 可见，Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下降。为此常将Ri很大的前置放大器接入回路。其输入内阻越大，测量回路时间常数越大，则传感器低频响应也越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时Cc

7、将改变，必须重新校正灵敏度值。 2、电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益A0足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路CF与RF。由图可知i的表达式为： A0CaUUSC电荷放大器原理电路图(忽略了运放输入电阻、电缆电容、输入电容)iRaqCFRFA0CaUUSC电荷放大器原理电路图iRaqCFRF画出等效电路图A0CaRaRCUSCUqCF、RF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1A0)倍。电导1RF也增大了(1A0)倍。所以图中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)RF。由：等效电路图A0

8、CaRaRCUSCUq运放输入电压输出电压当A0足够大时,传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷q及反馈回路的参数CF和RF。一般而言1RFCF若考虑电缆电容Cc，则有A0CaRaRCUSCUq可见当A0足够大时，输出电压与A0无关，只取决于输入电荷q和反馈电容CF，改变CF的大小便可得到所需的电压输出。 CF一般取值100-104pF。当A0足够大时，有运算放大器的开环放大倍数A0对精度有影响，当频率很高时，则及则可计算产生的误差为由此得A0105。对线性集成运算放大器来说，这一要求是不难达到的。 例,Ca=1000pF,CF=100pF,Cc

9、=(100pF/m)100m=104pF,当要求1%时，则有计算误差表达式当工作频率很低时，分母中的电导1/Ra+(1+A0)/RF与电纳jCaCc(1+A0)CF的值相当，电导就不可忽略。此时A0足够大，则其幅值为当1/ RF = CF时可见这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应的下限截止频率为 USC与q间的相位误差 可见压电式传感器配用电荷放大器时,其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的参数RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下限截止频率fL时,反馈电阻RF值也可确定。如当CF=1000pF,fL=0.16Hz时,则要求RF109。 当

10、A0足够大时，有截止频率四、压电式传感器的应用（一）压电式加速度传感器（二）粗糙度测量传感器（三）压电式压力传感器（四）压电式流量计（五）集成压电式传感器（六）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力Fma。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 运动方向21345纵向效应型加速度传感器的截面图（一） 压电式加速度传感器其结构一般有纵向效应型、横向效应型和剪切效应型三种。纵向效应是最常见的,如图。压电陶瓷4和质量块2为环型，通过螺母3对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。

11、测量时将传感器基座5与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信号由电极1引出。qd33Fd33ma此式表明电荷量直接反映加速度大小。其灵敏度与压电材料压电系数和质量块质量有关。为了提高传感器灵敏度，一般选择压电系数大的压电陶瓷片。若增加质量块质量会影响被测振动，同时会降低振动系统的固有频率，因此一般不用增加质量办法来提高传感器灵敏度。此外用增加压电片数目和采用合理的连接方法也可提高传感器灵敏度。 qd33Fd33ma连接方式：图(a)为并联形式，片上的负极集中在中间极上，其输出电容C为单片电容C的两倍，但输出电压U等于单片电压U，极板上电荷量q为单片电荷量q的两倍，即图(b)为串联形式，正电荷集中在上

12、极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q等于单片电荷q，而输出电压U为单片电压U的二倍，总电容C为单片电容C的一半，即+(a)并联(b)串联叠层式压电元件+并联接法，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，且测量电路输入阻抗很高的场合。粗糙度测量传感器上图为小型粗糙度测量仪的压电传感器，它采用中线制一次积分式，即传感器沿被测表面往复运动一次，所得信号电压经放大和积分在表头上指示出粗糙度的平均算术偏差值。这种量仪又称为轮廓仪。测量时驱

13、动箱带动传感器沿被测表面滑行，触针1靠自重及片簧4的弹力与工件接触，感受被测表面的粗糙度而上下运动。通过针杆3把运动传给压电元件7。压电元件尾部粘了一块有机玻璃9，它插在件10的槽内，槽内充满硅油。硅油是一种粘滞性很强的液体，当触针1随工件微观轮廓快速运动时，液体摩擦很大，可以认为片9被夹紧在塑料块10的槽内，这时可把压电元件7看成一悬臂梁。于是，悬臂梁一端上下运动，在其两极便产生与工件表面粗糙度成正比的电信号。（二） 粗糙度测量传感器（三） 压电式压力传感器 根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。 压电式测压传感器的原理简图。它由引线1、壳体2、基座3

14、、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为 F作用于压电片上的力；d11压电系数；P压强， ；S膜片的有效面积。123456p压电式测压传感器原理图 测压传感器的输入量为压力P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有： 因为 ，所以电压灵敏度也可表示为 U0压电片输出电压；C0压电片等效电容电荷灵敏度电压灵敏度电荷灵敏度（四） 压电式流量计利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。

15、在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。 流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射压电式流量计此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况（四）集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强

16、，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。 脉搏计照片 典型应用： 脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测量 管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等 力敏元件主要性能指标：压力范围 1kPa频率响应 11000Hz标准工作电压 4.5V（DC）扩充工作电压 315V(DC)扩充电阻 1k12k外形尺寸 输出力敏元件地线R=2.2k 电源集成压电传感器连线电路OO（五）压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上A、B两点放两只传感器，A、B距离为L（已知或可测），从A、B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和tB（=LB/V），两者时间差为 t=tA- tB=（LA- LB）/V （1）又 L =LA+LB （2）LABO点LALB地 面 1、检测原理因为管道埋设在地下，看不到O