1、 壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為根底，外力作用下在電介質(zhì)電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為根底，外力作用下在電介質(zhì)外表產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量丈量。外表產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量丈量。 壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進展丈量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面振動進展丈量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的運用。都得到廣泛的運用。壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計壓電秤重浮游計壓電加速度計 壓電警號壓電警號壓電元件壓電元件機械能電能一石英晶體一石英晶體天然構(gòu)成的石英

2、晶體外形天然構(gòu)成的石英晶體外形天然構(gòu)成的石英晶體外形續(xù)天然構(gòu)成的石英晶體外形續(xù) 石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器晶振石英晶體振蕩器晶振 石英晶體在振蕩石英晶體在振蕩電路中任務(wù)時，壓電路中任務(wù)時，壓電效應(yīng)與逆壓電效電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。出頻率。晶振晶振 在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)非常微弱。隨著對資料的深化研討，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等資料是性能優(yōu)良的壓電資料。 壓電資料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。 壓電資料的主要特性參數(shù)有：

3、壓電常數(shù): 壓電常數(shù)是衡量資料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。 彈性常數(shù): 壓電資料的彈性常數(shù)、剛度決議著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。 介電常數(shù): 對于一定外形、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 機械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量如電能與輸入的能量如機械能之比的平方根，這是衡量壓電資料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。 電阻: 壓電資料的絕緣電阻將減少電荷走漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 居里點溫度: 它是指壓電資料開場喪失壓電特性的溫度。 壓 電 晶 片按特定方向切片按特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶

4、6.2.1 石英晶體石英晶體 石英晶體化學(xué)式為石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體構(gòu)造。圖，是單晶體構(gòu)造。圖6-2a表示了表示了天然構(gòu)造的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方天然構(gòu)造的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。向的特性是不同的。 其中縱向軸其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的垂直于光軸的x稱為電軸，與稱為電軸，與x和和z軸同時垂直的軸軸同時垂直的軸y稱為機械軸。稱為機械軸。 通常把沿電軸通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓縱向壓電效應(yīng)，電效應(yīng)， 而把沿

5、機械軸而把沿機械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為稱為“橫向壓電效應(yīng)。橫向壓電效應(yīng)。 而沿光軸而沿光軸z方向的力作用時不產(chǎn)生壓電方向的力作用時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。效應(yīng)。 zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)圖6-2 石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 假設(shè)從晶體上沿y方向切下一塊如圖6-2c所示的晶片，當沿電軸方向施加作用力Fx時，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷， 其大小為 xxFdq11(6-1) 式中, d11為x方向受力的壓電系數(shù)。 假設(shè)在同一切片上，沿機械軸y方向施加作用力Fy，那么仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷

6、qy，其大小為 yyFbadq12(6-2) 式中：d12y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對稱性， 有d12=-d11； a、b晶體切片的長度和厚度。 電荷qx和qy的符號由受壓力還是受拉力決議。 石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子構(gòu)造有關(guān)。圖6-3是一個單元組體中構(gòu)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陳列。 圖中“代表硅離子Si4+， “代表氧離子O2-。 當石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，構(gòu)成三個互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。 如圖6-3a所示。 圖6-3 石英晶體壓電模型 (a) 不受力時； (b) x

7、軸方向受力； (c) y軸方向受力 yxP1P2P3(a) (b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy 由于P=ql, q為電荷量，l為正負電荷之間間隔 。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，所以晶體外表不產(chǎn)生電荷，即呈中性。 當石英晶體遭到沿x軸方向的壓力作用時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生緊縮變形，正負離子的相對位置也隨之變動。如圖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的添加而不等于零。在x軸的正方向出現(xiàn)負電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。 當晶體遭到沿y軸方向的壓力作

8、用時，晶體的變形如圖3c所示。與b情況類似，P1增大，P2、P3減小。在x軸上出現(xiàn)電荷，它的極性為x軸正向為正電荷。在y軸方向上仍不出現(xiàn)電荷。 假設(shè)沿z軸方向施加作用力，由于晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全一樣，所以正負電荷重心堅持重合，電偶極矩矢量和等于零。這闡明沿z軸方向施加作用力，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 當作用力Fx、Fy的方向相反時，電荷的極性也隨之改動。 極化處置后陶瓷資料內(nèi)部存在有很強的剩余極化，當陶瓷資料遭到外力作用時，電疇的界限發(fā)生挪動，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 從而引起剩余極化強度的變化， 因此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(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，

9、將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿木跋螅褪菈弘娞沾傻恼龎弘娦?yīng)。電荷量的大小與外力成如下的正比關(guān)系： Fdq33(6-3) 式中： d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù)； F作用力。 ,2 ,2CCUU QQ2 ,2 ,CC QQ UU(a)(b)6.4 壓電式傳感器丈量電路壓電式傳感器丈量電路 6.4.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的任務(wù)原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電由壓電元件的任務(wù)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外表相當于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，

10、兩外表相當于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)， 那么其電容量為那么其電容量為 dACra0(6-4) 式中： A壓電片的面積； d壓電片的厚度； r壓電資料的相對介電常數(shù)。 因此，壓電傳感器可以等效為一個與電容相串聯(lián)的電壓源。 如圖6-7a所示，電容器上的電壓Ua、電荷量q和電容量Ca三者關(guān)系為 aaCqU 壓電傳感器也可以等效為一個電荷源。 如圖6-7b所示。 圖6-7 壓電元件的等效電路a 電壓源; b 電荷源 CauaCaq(a)(b) 壓電傳感器在實踐運用時總要與丈量儀器或丈量電路相銜接，因此還需思索銜接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri , 輸入電容Ci以及壓電傳感器的

11、走漏電阻Ra。這樣，壓電傳感器在丈量系統(tǒng)中的實踐等效電路， 如圖6 - 8所示。 圖圖6-8 壓電傳感器的實踐等效電路壓電傳感器的實踐等效電路 a 電壓源電壓源; b 電荷源電荷源 UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)6.4.2 壓電式傳感器的丈量電路壓電式傳感器的丈量電路 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，因此它的丈量電路通常需求接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用的丈量電路通常需求接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗

12、；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方式：電壓放大器和以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種方式：電壓放大器和電荷放大器。電荷放大器。 1. 電壓放大器阻抗變換器電壓放大器阻抗變換器圖圖6-9a、(b是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。是電壓放大器電路原理圖及其等效電路。 在圖6-9b中，電阻R=RaRi/(Ra+Ri)，電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，假設(shè)壓電元件受正弦力f=Fm sint的作用，那么其電壓為 tUtCdFUmamasinsin6-6 式中： Um壓電

13、元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca； d壓電系數(shù)。 圖 6-9 電壓放大器電路原理及其等效電路圖 a 放大器電路; b 等效電路AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)方式為 .)(1CCRjRjdfUai(6-7) Ui的幅值Uim為 .222)(1)(icamimCCCRRdFU(6-8) 輸入電壓和作用力之間相位差為 )(arctan2)(RCCCica(6-9) 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)R1，那么由式6-8可知，理想情況下輸入電壓幅值Uim為 icamimCCCdF

14、U(6-10) 式6-10闡明前置放大器輸入電壓Uim與頻率無關(guān)，普通在/03時，就可以以為Uim與無關(guān)，0表示丈量電路時間常數(shù)之倒數(shù)，即 RCCCica)(10 這闡明壓電傳感器有很好的高頻呼應(yīng)，但是，當作用于壓電元件的力為靜態(tài)力=0時， 前置放大器的輸出電壓等于零， 由于電荷會經(jīng)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)力的丈量。 當(Ca+Cc+Ci)R1 時，放大器輸入電壓Uim如式6-10所示，式中Cc為銜接電纜電容，當電纜長度改動時，Cc也將改動，因此Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間銜接電纜不能隨意改換， 否那么將引入丈量誤差。 2. 電

15、荷放大器電荷放大器 電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反響電電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反響電容容Cf和高增益運算放大器構(gòu)成。由于運算放大器輸入阻抗極高，和高增益運算放大器構(gòu)成。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，故可略去放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和和Ri并聯(lián)電阻。并聯(lián)電阻。 fdoCquu6-11 式中 ： uo放大器輸出電壓； ucf反響電容兩端電壓。 AuoCiqCaCeCr圖6-10 電荷放大器等效電路由運算放大器根本特性， 可求出電荷放大器的輸出電壓 ficaoCACCCAqu)1 ( 6-12 通常A=104108，因此,當

16、滿足(1+A)CfCa+Cc+Ci時，式6-12可表示為 foCqu6-13 由式6-13可見，電荷放大器的輸出電壓uo只取決于輸入電荷與反響電容Cf，與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比，這是電荷放大器的最大特點。 為了得到必要的丈量精度，要求反響電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性都很好，在實踐電路中，思索到不同的量程等要素，Cf的容量做成可選擇的，范圍普通為100104pF。 6.3 壓電式傳感器的運用壓電式傳感器的運用 6.3.1 壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器 圖圖6-11是壓電式單向測力傳感器的構(gòu)造圖，主要由石英晶片、是壓電式單向測力傳感器的構(gòu)造圖，主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等

17、組成。絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 圖6-11 壓力式單向測力傳感器構(gòu)造圖 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，將力傳送到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其縱向壓電效應(yīng)， 經(jīng)過d11實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為81mm。該傳感器的測力范圍為050N，最小分辨率為0.01 N，固有頻率為5060 kHz，整個傳感器重為10 g。 6.3.2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 圖圖6-12是一種壓電式加速度傳感器的構(gòu)造圖。它主要由壓是一種壓電式加速度傳感器的構(gòu)造圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝電

18、元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。 圖6-12 壓電式加速度傳感器構(gòu)造圖 當加速度傳感器和被測物一同遭到?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=ma6-14 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，因此產(chǎn)生電荷q，當傳感器選定后，m為常數(shù)， 那么傳感器輸出電荷為 q=d11F=d11ma 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。 6.3.3 壓電式金屬加工切削力丈量壓電式金屬加工切削力丈量

19、 圖圖6-13是利用壓電陶瓷傳感器丈量刀具切削力的表示圖。是利用壓電陶瓷傳感器丈量刀具切削力的表示圖。 由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適宜丈量變化猛烈的載由于壓電陶瓷元件的自振頻率高，特別適宜丈量變化猛烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當進展切削加工時，荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方，當進展切削加工時，切削力經(jīng)過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為切削力經(jīng)過刀具傳給壓電傳感器，壓電傳感器將切削力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化。電信號輸出，記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化。 圖6-13 壓電式刀具切削力丈量表示圖 壓電傳感器輸出信號6.3.4 壓電式玻璃破碎報警器壓電式玻璃破碎報警器 BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器，壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器