６.１壓電式傳感器的工作原理６.１.１壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ蛊渥冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷極性也隨時(shí)改變。有時(shí)把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)或稱電致伸縮效應(yīng)。與正壓電效應(yīng)過程相反，逆壓電效應(yīng)過程是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，利用壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換。下一頁返回６.１壓電式傳感器的工作原理６.１.２壓電材料自然界中的大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分明顯的不多。天然形成的石英晶體、人工制造的壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇等材料是壓電效應(yīng)性能優(yōu)良的壓電材料。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，可分為三大類：一是壓電晶體（單晶），它包括壓電石英晶體和其他單晶；二是壓電陶瓷（多晶半導(dǎo)瓷）；三是新型壓電材料，其中有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。壓電材料的主要特性參數(shù)如下：壓電系數(shù)———衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，壓電系數(shù)越大，壓電效應(yīng)越明顯。上一頁下一頁返回６.１壓電式傳感器的工作原理彈性常數(shù)———壓電材料的彈性常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度、剛度決定著壓電器件的線性范圍、固有振動(dòng)頻率。介電常數(shù)———一定形狀和尺寸的壓電元件，固有電容與介電常數(shù)有關(guān)，而固有頻率又影響著壓電傳感器的下限。機(jī)電耦合參數(shù)———衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的重要參數(shù)，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入能量（如機(jī)械能）之比的平方根。電阻———壓電材料的絕緣電阻，決定著電荷泄漏快慢，是決定壓電傳感器低頻特性的主要參數(shù)。居里點(diǎn)———壓電材料的溫度達(dá)到某一值時(shí)，便開始失去壓電特性，這一溫度稱為居里點(diǎn)，或稱居里溫度。常用壓電材料的主要特性見表６－１。上一頁下一頁返回６.１壓電式傳感器的工作原理１.石英晶體石英是典型的壓電晶體，其化學(xué)成分是二氧化硅（ＳｉＯ２），如圖６－１所示，它是一個(gè)正六面體。用一個(gè)三維坐標(biāo)軸表示，縱向軸Ｚ稱為光軸，經(jīng)六面體棱線并垂直于光軸的Ｘ軸稱為電軸，與Ｘ軸和Ｚ軸同時(shí)垂直的Ｙ軸稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸Ｘ軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Ｙ軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。沿光軸Ｚ軸方向受力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。上一頁下一頁返回６.１壓電式傳感器的工作原理２.壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它由無數(shù)細(xì)微的電疇組成，這些電疇實(shí)際上是分子自發(fā)極化的小區(qū)域。在無外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體中雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消了，因此原始的壓電陶瓷顯中性，不具有壓電性質(zhì)，如圖６－２所示。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須在一定溫度下做極化處理，極化處理后，陶瓷材料內(nèi)部存在很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，當(dāng)壓電陶瓷受外力作用時(shí)，其表面也能產(chǎn)生電荷。所以壓電陶瓷也具有壓電效應(yīng)，如圖６－２（ｂ）（ｃ）所示。上一頁下一頁返回６.１壓電式傳感器的工作原理３.新型壓電材料（１）壓電半導(dǎo)體有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又具有壓電特性，如硫化鋅（ＺｎＳ）、氧化鋅（ＺｎＯ）、硫化鎘（ＣｄＳ）、砷化鎵（ＣａＡｓ）等。因此，既可用其壓電特性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可兩者結(jié)合，集組件與線路于一體，研制新型集成壓電傳感器。上一頁下一頁返回６.１壓電式傳感器的工作原理（２）有機(jī)高分子壓電材料①某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性的高分子薄膜，如聚氟乙烯（ＰＶＦ）、聚偏氟乙烯（ＰＶＦ２）、聚氯乙烯（ＰＶＣ）等。獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕柔軟、抗拉強(qiáng)度高、耐沖擊。體電阻達(dá)１０１２Ω·ｍ，擊穿強(qiáng)度為１５０～２００ｋＶ／ｍｍ，便于大量生產(chǎn)和大面積使用，可制成大面積數(shù)組傳感器乃至人工皮膚。②在高分子化合物中摻雜壓電陶瓷ＰＺＴ或ＢａＴｉＯ３粉末制成高分子壓電薄膜，這種復(fù)合壓電材料同樣既保持高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電性和機(jī)電耦合系數(shù)。上一頁返回６.２壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路６.２.１壓電晶片的連接方式壓電式傳感器的基本原理是壓電材料的壓電效應(yīng)。因此可以用它來測(cè)量力和與力有關(guān)的參數(shù)，如壓力、位移、加速度等。由于外力作用而使壓電材料上產(chǎn)生電荷，該電荷只有在無泄漏的情況下才會(huì)長期保存，因此需要測(cè)量電路具有無限大的輸入阻抗，而實(shí)際上這是不可能的，所以壓電式傳感器不宜做靜態(tài)測(cè)量。只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電式傳感器只宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。下一頁返回６.２壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路制作壓電式傳感器時(shí)，可采用兩片或兩片以上具有相同性能的壓電晶片粘貼在一起使用。由于壓電晶片有電荷極性，因此接法有并連和串聯(lián)兩種，如圖６－３所示。并聯(lián)連接時(shí)壓電式傳感器的輸出電容Ｃ′和極板上的電荷ｑ′分別為單塊晶體片的２倍，而輸出電壓Ｕ′與單片上的電壓相等。即串聯(lián)時(shí)，輸出總電荷ｑ′等于單片上的電荷，輸出電壓為單片電壓的２倍，總電容應(yīng)為單片的１／２。即上一頁下一頁返回６.２壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路由此可見，并連接法雖然輸出電荷大，但由于本身電容亦大，故時(shí)間常數(shù)大，只適宜測(cè)量慢變化信號(hào)，并以電荷作為輸出的情況。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適宜于以電壓輸出的信號(hào)和測(cè)量電路輸入阻抗很高的情況。６.２.２壓電式傳感器的等效電路當(dāng)壓電晶體片受力時(shí)，在晶體片的兩表面上聚集等量的正、負(fù)電荷，晶體片的兩表面相當(dāng)于一個(gè)電容的兩個(gè)極板，兩極板間的物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，因此壓電片相當(dāng)于一只平行板介質(zhì)電容器，如圖６－４所示。其電容量為上一頁下一頁返回６.２壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路所以，可以把壓電式傳感器等效為一個(gè)電壓源Ｕ＝ｑ/Ｃａ和一只電容Ｃａ串聯(lián)的電路，如圖６－５（ａ）所示。由圖６－５可知，只有在外電路負(fù)載無窮大，且內(nèi)部無漏電時(shí)，受力產(chǎn)生的電壓Ｕ才能長期保持不變；如果負(fù)載不是無窮大，則電路就要以時(shí)間常數(shù)ＲＣａ按指數(shù)規(guī)律放電。壓電式傳感器也可以等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)電路，此時(shí)，該電路被視為一個(gè)電荷發(fā)生器，如圖６－５（ｂ）所示。壓電式傳感器在實(shí)際使用時(shí)，總是要與測(cè)量儀器或測(cè)量電路相連接，因此還必須考慮連接電纜的等效電容Ｃｃ、放大器的輸入電阻Ｒｉ和輸入電容Ｃｉ，這樣壓電式傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的等效電路就應(yīng)如圖６－６所示，圖中Ｃａ、Ｒｄ分別為傳感器的電容和漏電阻。上一頁下一頁返回６.２壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路６.２.３壓電式傳感器的測(cè)量電路為了保證壓電式傳感器的測(cè)量誤差小到一定程度，則要求負(fù)載電阻ＲＬ要大到一定數(shù)值，才能使晶體片上的漏電流相應(yīng)變小，因此在壓電式傳感器輸出端要接入一個(gè)輸入阻抗很高的前置放大器，然后再接入一般的放大器。其目的：一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)；二是將它的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出。根據(jù)前面的等效電路，壓電式傳感器的輸出可以是電壓，也可以是電荷，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。上一頁下一頁返回６.２壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路因?yàn)閴弘娛絺鞲衅鞯膬?nèi)阻抗極高，所以它需要與高輸入阻抗的前置放大器配合。如果使用電壓放大器，那么電壓放大器的輸入電壓與屏蔽電纜線的分布電容Ｃｃ及放大器的輸入電容Ｃｉ有關(guān)，它們均是變數(shù)，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，故目前多采用性能穩(wěn)定的電荷放大器，如圖６－７所示。電荷放大器是一個(gè)有反饋電容Ｃｆ的高增益運(yùn)算放大器。當(dāng)放大器開環(huán)增益Ａ和輸入電阻Ｒｉ、反饋電阻Ｒｆ（用于防止放大器直流飽和）相當(dāng)大時(shí)，放大器的輸出電壓Ｕｏ正比于輸入電荷ｑ，即當(dāng)Ａ足夠大時(shí)，則有上一頁下一頁返回６.２壓電式傳感器的等效電路和測(cè)量電路由式（６.２）可知，電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可忽略不計(jì)，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。圖６－８所示為電荷放大器電路的實(shí)用電路。要注意的是，無論是電壓放大器還是電荷放大器的輸入端都應(yīng)加過載保護(hù)電路，否則，在傳感器過載時(shí)會(huì)產(chǎn)生過高的輸出電壓。上一頁返回６.３壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器已被廣泛用于工業(yè)、軍事和民用等領(lǐng)域，表６－２列出了其主要應(yīng)用類型，其中力敏類型應(yīng)用最多。６.３.１壓電式加速度傳感器圖６－９所示為ＢＡＴ－５型壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)。壓電片（采用鋯鈦酸鉛）放在基座上，上面為重塊組件，用彈簧片把壓電片壓緊，基座固接于待測(cè)物上，當(dāng)待測(cè)物振動(dòng)時(shí)，傳感器也受到同樣的振動(dòng)，此時(shí)慣性質(zhì)量產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的慣性力Ｆ作用在壓電片上，因而產(chǎn)生了電荷ｑ，因?yàn)椋疲剑恚?，ｍ是重塊組件的質(zhì)量，在傳感器中是一常數(shù)，所以Ｆ與所測(cè)加速度ａ成正比。下一頁返回６.３壓電式傳感器的應(yīng)用壓電加速度傳感器的頻率范圍寬，線性好，而且尺寸小、質(zhì)量輕，附加于被測(cè)物件上不會(huì)使振動(dòng)信號(hào)嚴(yán)重失真，從而在振動(dòng)測(cè)量中應(yīng)用非常廣泛。表６－３所示為一種６２００系列集成壓電加速度計(jì)主要技術(shù)參數(shù)，這種產(chǎn)品和一般壓電加速度計(jì)不同的地方是在傳感器內(nèi)部含集成電路，用以進(jìn)行阻抗變換。６.３.２壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，有各種不同的結(jié)構(gòu)，