傳感器技術(shù)及應用（第2版）第6章壓電式傳感器測量電路1.2壓電效應6.16.2壓電式傳感器在無人裝備中的應用6.36.4第6章壓電式傳感器2本章小結(jié)本章內(nèi)容引出3壓電式傳感器的工作原理是電介質(zhì)的壓電效應。在外力作用下電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電式傳感器在聲學、醫(yī)學、力學和導航方面得到廣泛應用，如超聲波傳感器、水聲換能器、拾音器、壓電引信和煤氣點火等。6.1壓電效應4壓電效應5壓電材料在一定方向上受到外力產(chǎn)生變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在它的兩個相對表面上同時出現(xiàn)正負電荷。當去掉外力，又會恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在壓電材料的極化方向上施加電場，材料會產(chǎn)生形變，電場去掉后，壓電材料的形變隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。壓電元件機械能電能正壓電效應逆壓電效應壓電效應的產(chǎn)生機理6當晶體受到沿X方向的外力作用Fx=0時（如圖a），電偶極矩的矢量和為零，晶體對外不顯電性。當晶體受到沿X、Y方向的力時（如圖b、c），電偶極矩在X方向分量的矢量和不為0，晶體表面產(chǎn)生電荷。當晶體受到沿Z方向的力時，因為晶體在X軸方向和Y軸方向的變形完全相同，電偶極矩矢量和等于零，晶體不會產(chǎn)生壓電效應。圖6-5石英晶體的壓電結(jié)構(gòu)示意圖石英晶體的壓電效應7當晶片在沿X軸的方向上受到壓應力

作用時，有：

式中，F(xiàn)X——沿晶軸X方向施加的壓縮力；d11——壓電系數(shù)，石英晶體d11=2.3×10-12C/N；l、b——石英晶片的長度和寬度。

代入上式，可得圖6-6石英晶體切片極化強度又當晶片受到X方向的壓力作用時，垂直于X軸平面上的電荷qX與作用力FX成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。石英晶體的壓電效應8極間電壓為根據(jù)逆壓電效應，極間電壓使得晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即在X軸方向施加壓力或拉力時，產(chǎn)生的電荷均出現(xiàn)在垂直于X軸的平面上，但極性相反。如果在同一晶片上作用力是沿著Y軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，電荷大小為此時，極間電壓為根據(jù)逆壓電效應，極間電壓使得晶片在Y軸方向產(chǎn)生伸縮變形，即石英晶體的壓電效應9由上述可知：無論正或逆壓電效應，作用力與電荷之間呈線性關(guān)系；石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的；正、逆壓電效應同時存在。壓電陶瓷的壓電效應10壓電陶瓷是一種常用的壓電材料，是人工制造的多晶體材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場。壓電陶瓷在極化前不具有壓電現(xiàn)象。在外電場的作用下，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場的方向排列，從而使材料得到極化圖6-8壓電陶瓷中的電疇變化示意圖壓電陶瓷的壓電效應11極化后的壓電陶瓷受到沿極化方向的作用力時，則在這兩個極化面上分別出現(xiàn)正、負電荷。對圖a，電荷量為對圖b，電荷量為式中，AX——極化面的面積；AY——受力面的面積。壓電陶瓷之所以具有壓電效應，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列。外界的作用（如壓力或電場的作用）使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應。圖6-9壓電陶瓷壓電原理圖6.2測量電路12等效電路13

由壓電元件的工作原理可知，壓電元件可以看作是一個電容器，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)，則其電容量為式中：S——壓電元件的面積（極板面積）；

d——壓電元件的厚度（極間距離）；

ε——壓電材料的介電常數(shù)等效電路14當壓電元件受到外力作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反、電量相等的電荷。因此，在壓電元件自身理想絕緣、無泄漏、輸出端開路的條件下可以把壓電元件看成電流源和電壓源，如下圖a和b所示。(a)電流源等效電路

(b)電壓源等效電路圖6-10壓電元件等效電路等效電路15如果用導線將壓電傳感器和測量儀器連接時，則應考慮連接導線的等效電容Cc，前置放大器的輸入電阻Ri

、輸入電容Ci，則壓電傳感器的完整電荷等效電路為上圖所示。壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此前置放大器要有相當高的輸入阻抗，否則傳感器的信號電荷將通過輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測量誤差。圖6-11壓電傳感器的完整等效電路壓電元件的Ca，Ra,連接電纜的Cc接口電路的Ri，Ci壓電元件的串并聯(lián)16單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的，因此接法也有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。串聯(lián)：（注意：此處書中有誤?。┎⒙?lián)：(a)串聯(lián)

(b)并聯(lián)圖6-12兩個壓電片的連接方法壓電元件的串并聯(lián)17上述兩種接法中：并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，時間常數(shù)小，適宜用于以電壓作輸出信號、高頻信號測量的場合。

測量電路18壓電傳感器的輸出可以是電荷信號，也可以是電壓信號，因此測量電路也有兩種形式：電荷放大器（左圖）和電壓放大器（右圖）。在電荷放大器電路中，改變的CF大小就能得到所需的電壓輸出，且輸出與電纜電容Cc無關(guān)。在電壓放大器電路中，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。圖6-14電荷放大器的等效電路圖圖6-15電壓放大器的等效電路圖6.3壓電傳感器在無人裝備中的應用19壓電傳感器在無人裝備中的應用20壓縮型壓電式加速度傳感器主要由壓電片、質(zhì)量塊、彈簧、基座和外殼組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并用螺栓加以固定。測量時，傳感器的質(zhì)量塊與試件有相同的運動并受到與加速度方向相同的慣性力的作用。質(zhì)量塊就有一個正比于加速度的交變力作用在壓電元件上。壓電元件兩個表面上產(chǎn)生交變電荷（或電壓）。傳感器輸出電荷（或電壓）正比于作用力1.加速度傳感器2.壓電引信3.超聲波距離傳感器圖6-16壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖式中，d11——壓電常數(shù)；m——質(zhì)量塊質(zhì)量；a——試件振動加速度；壓電傳感器在無人裝備中的應用21壓電引信是一種利用鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的壓電效應制成的軍用炮彈啟爆裝置。整個引信由壓電元件和啟爆裝置兩部分組成。當彈丸與裝甲目標相遇時，強有力的碰撞力使壓電元件產(chǎn)生電荷，經(jīng)導線傳遞給電雷管使其啟爆，并引起炮彈的爆炸，錐孔炸藥爆炸形成的能量使藥形罩熔化，形成高溫高速的金屬流將堅硬的鋼甲穿透，起到殺傷作用。壓電引信既可用于高初速火炮（如加農(nóng)炮、反坦克炮、坦克炮等），又適用于低初速火炮（如無坐力炮）及火箭筒和反坦克導彈等。1.加速度傳感器2.壓電引信3.超聲波距離傳感器1—壓電元件2—導線3—藥形罩

4—炸藥5—啟爆裝置

圖6-17破甲彈上的壓電引信的結(jié)構(gòu)壓電傳感器在無人裝備中的應用22超聲波傳感器是利用壓電效應的原理實現(xiàn)聲電轉(zhuǎn)換的裝置。超聲波發(fā)送器利用逆壓電效應原理，接收器利用正壓電效應原理。超聲波測距離的方法有共振法、干涉法和脈沖回波法等。右圖為脈沖回波法檢測距離的工作原理。1.加速度傳感器2.壓電引信3.超聲波距離傳感器圖6-21超聲波測距離的工作原理圖圖中，由單片機控制的發(fā)射控制電路驅(qū)動探頭發(fā)出超聲波，同時計時器開始計時。聲波信號到達被測體表面反射回來，又被探頭接收，檢測電路檢測回波信號，若有回波信號則停止計時器計時。設(shè)發(fā)射與接收超聲波之同