1、.,壓電式傳感器,壓電式傳感器的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)，是一種典型的有源傳感器，即發(fā)電型傳感器。 壓電傳感器具有使用頻帶寬、靈敏度高、機械阻抗大、信噪比高、工作可靠、測量范圍廣等優(yōu)點，它可以把力、壓力、加速度等許多非電量轉(zhuǎn)化為電量，因此在機械、聲學(xué)、力學(xué)、醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。,.,9.1 壓電效應(yīng)及壓電材料 9.2 壓電傳感器的等效電路和測量電路 9.3 壓電傳感器的應(yīng)用,壓電式傳感器,.,壓電式傳感器,9.1 壓電效應(yīng)及壓電材料,一、壓電效應(yīng),某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去

2、掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。,.,壓電式傳感器,正（順）壓電效應(yīng)示意圖,.,石英晶體的壓電效應(yīng)演示,四、壓電式傳感器：,.,壓電式傳感器,反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力；當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。,壓電效應(yīng)的可逆性,.,壓電式傳感器,二、壓電材料,壓電常數(shù),彈性常數(shù)（剛度）,介電常數(shù),機電耦合系數(shù),電阻率,居里點,壓電效應(yīng)強弱：靈敏

3、度,固有頻率、動態(tài)特性,固有電容、頻率下限,機電轉(zhuǎn)換效率,泄漏電荷、改善低頻特性,喪失壓電性的溫度,機械性能,電性能,溫度穩(wěn)定性,時間穩(wěn)定性,壓電特性不隨時間蛻變,.,壓電式傳感器,常用壓電材料,.,壓電式傳感器,二、壓電材料,1. 石英晶體,如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。 在晶體學(xué)中，可以用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸 (垂直于六棱柱體的棱面)稱為機械軸。,.,壓電式傳感器,1. 石英晶體,如果從石英晶體中切下一個平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X

4、軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，把沿機械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。,.,壓電式傳感器,1. 石英晶體,.,壓電式傳感器,當(dāng)在電軸方向施加作用力時, 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷qx, 其大小為： qx = d11 Fx 式中: d11x方向受力的壓電系數(shù); Fx作用力,若在同一切片上, 沿機械軸y方向施加作用力Fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy, 其大小為： qy=d

5、12Fya/b d12y軸方向受力的壓電系數(shù), d12= - d11 a, b晶體切片長度和厚度。,石英晶體切片,.,壓電式傳感器,硅氧離子的排列示意圖,“”代表硅離子Si4+， “”代表氧離子O2-。,石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機理硅氧離子在xy平面上的投影,.,壓電式傳感器,當(dāng)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，形成三個互成120夾角的電偶極矩P1、P2、P3。 如圖(a)所示。,因為P = qL（q為電荷量，L為正負電荷之間的距離），此時 正負電荷中心重合，電偶極矩 的矢量和等于零，即： P1+P2+P30 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。,.,壓電式傳感器,

6、當(dāng)晶體受到沿x方向受到壓力F x 作用時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負離子的相對位置隨之發(fā)生變化，如圖(b)所示。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們在x 方向上的分量不再等于零，即在x軸的正向出現(xiàn)正電荷: (P1+P2+P3)x0,在y、z方向上的分量為: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0,.,壓電式傳感器,當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力Fx 作用時，其變化情況如圖（c）所示。電偶極矩P1增大， P2、 P3減小，此時它們在x、y、z三個方向上的分量為 (P1 +P2 +P3) x0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P

7、3)z =0 在x軸的正向出現(xiàn)負電荷， 在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。,-,.,壓電式傳感器,可見，當(dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx 作用時，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,晶體在y軸方向受力Fy作用下的情況與Fx 相似。當(dāng)Fy0時，晶體的形變與圖(b)相似；當(dāng)Fy 0時，則與圖(c)相似。由此可見，晶體在y（即機械軸）方向的力 Fy作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,晶體在z軸方向受力Fz的作用時，因為晶體沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，在沿z(即光軸)方向的力Fz

8、 作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。,.,壓電式傳感器,作用力與電荷的關(guān)系,若從晶體上沿y方向切下一塊如圖(a)所示的晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力x時，晶片的厚度將產(chǎn)生變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。 在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度P11與應(yīng)力x 成正比。,.,壓電式傳感器,即：,d11壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及 施加作用力的軸向； b、c石英晶片的長度和寬度； qx在與電軸 x 垂直的平面上產(chǎn)生的電荷。,而P11在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度,將以上兩式聯(lián)立，得,(3),(2),(1),.,壓電式傳感器,石英晶體受力方向與電荷極性關(guān)系,.,壓電式傳感器, 當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時，qx只與

9、作用力Fx成正 比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)； 沿機械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷與幾何 尺寸有關(guān)的； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的（沿光軸方 向受力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)）； 晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存 在逆壓電效應(yīng)； 無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間皆呈線性關(guān)系。,.,壓電式傳感器,石英晶體的主要特點,壓電常數(shù)小，時間和溫度穩(wěn)定性好，常溫下幾乎不變，在20200 范圍內(nèi)，溫度變化僅為-0.016%/ ； 機械強度和品質(zhì)因數(shù)高，許用應(yīng)力高達（6.89.8）107Pa； 剛度大，固有頻率高，動態(tài)特性好； 居里點為573 ，重復(fù)性、絕

10、緣性好； 價格昂貴，因此一般僅用于標(biāo)準儀器或要求較高的傳感器中。,.,壓電式傳感器,2. 壓電陶瓷,壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。 在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。,.,在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于 按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。 外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓 外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化 方向都整齊地與外電場方向一致時，把外電場去

11、掉后，電疇的極 化方向基本變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電 特性。,壓電式傳感器,2. 壓電陶瓷,.,壓電式傳感器,壓電陶瓷的極化 (a) 未極化; (b) 電極化,.,壓電式傳感器,.,壓電式傳感器,壓電陶瓷的主要特點,壓電常數(shù)大，靈敏度高； 制造工藝成熟，可通過合理配合和摻雜等人工控制來達到所需要的性能； 成型工藝好，成本低廉，應(yīng)用廣泛。 與石英晶體相比較，其穩(wěn)定性不如石英好，居里點也低。,.,壓電式傳感器,常用的壓電陶瓷 1. 鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和

12、較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點溫度低（120），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。,2. 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點溫度在300以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。,3. 鈮鎂酸鉛Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3壓電陶瓷（PMN） 具有較高的壓電系數(shù)，在壓力大至700k

13、g/cm2仍能繼續(xù)工作，可作為高溫下的力傳感器。,.,無鉛壓電陶瓷及其換能器外形 （上海硅酸鹽研究所研制）,.,壓電式傳感器,3.新型壓電材料,壓電半導(dǎo)體材料 壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測力和溫度等參數(shù)。,高分子壓電材料 某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制

14、成較大的面積。,.,高分子壓電薄膜及拉制,.,壓電式傳感器,9.2 壓電傳感器的等效電路和測量電路,一、壓電晶片的連接方式以提高靈敏度,（1）并聯(lián)： 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地方。,（2）串聯(lián)： 輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號，且測量電路輸入阻抗很高的地方。,.,壓電式傳感器,二、壓電傳感器的等效電路,壓電元件的等效電路,電荷源,電容器,r壓電材料的相對介電常數(shù)；0真空中的介電常數(shù),U,.,壓電式傳感器,二、壓電傳感器的等效電路,等效成一個電壓源U（U = Q/Ca）和一個電容Ca的串聯(lián)電路 等效為一個電荷源Q（QCaU）

15、與一個電容Ca并聯(lián)的電路,.,壓電式傳感器,二、壓電傳感器的等效電路,由圖可知：只有在外電路負載RL為無窮大且內(nèi)部無漏電時，壓電式傳感器受力所產(chǎn)生的電荷及電壓才能長期保存下來，反之電路將以時間常數(shù)RLCa按照指數(shù)規(guī)律放電。 因此，在測量頻率很低的動態(tài)參數(shù)時要保證RL值很大，一般大于數(shù)百兆歐。,.,壓電傳感器在實際測量系統(tǒng)中的等效電路,壓電式傳感器,Rd壓電元件本身的漏電阻； Cc電纜的分布電容； Ri測量電路放大器的輸入阻抗； Ci測量電路放大器的輸入電容。,.,三、壓電傳感器的測量電路,電壓放大器 電荷放大器,壓電式傳感器,壓電式傳感器要求：負載電阻RL必須有很大的數(shù)值，才能使測量誤差小到一

16、定數(shù)值以內(nèi)。 因此常先接入一個高輸入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大電路及其它電路。測量電路關(guān)鍵在高阻抗的前置放大器。,前置放大器兩個作用: 把壓電式傳感器的微弱信號放大； 把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。,.,1、電壓放大器阻抗變換器（壓電傳感器專用的前置放大器）,壓電式傳感器,Ca：傳感器的內(nèi)部電容 Ra：傳感器的絕緣電阻 Cc：連接電纜的等效電容 Ri：前置放大器的輸入電阻 Ci：前置放大器的輸入電容,作用：將高輸入阻抗變?yōu)榈洼斎胱杩共⑦m當(dāng)放大微弱信號。,等效電阻,等效電容,.,前置放大器輸入端電壓：,壓電式傳感器,壓電元件的力F=Fmsint 壓電元件的壓電系數(shù)為dij，產(chǎn)生

17、的電荷為Q = dij F。,寫成復(fù)數(shù)形式為：,前置放大器輸入電壓的幅值,.,壓電式傳感器,輸入電壓與作用力間的相位差：,在理想情況下，傳感器的絕緣電阻Ra的電阻值與前置放大器的輸入電阻Ri都為無限大，即：,理想情況下輸入電壓的幅值：,而實際輸入電壓的幅值：,二者之比：,.,壓電式傳感器,.,輸入電壓與作用力間的相位差：,測量回路的時間常數(shù),壓電式傳感器,電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線,.,討論： (1) (2) (3),適合測量高頻交變力,壓電式傳感器,當(dāng)作用于壓電元件的力為靜態(tài)力時，則前置 放大器的輸入電壓等于零，因為電荷會通過放大 器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉，所以壓電 傳感器不

18、能用于靜態(tài)力測量。,前置放大器輸入 電壓與頻率無關(guān)。,.,2、電荷放大器（壓電傳感器專用的前置放大器）,壓電式傳感器,Ca：傳感器的電容 Ra：傳感器的漏電阻 Cc：連接電纜的等效電容 Ri：放大器的輸入電阻 Ci：輸入電容,K：放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相， 若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。,作用：將高內(nèi)阻的電荷源變?yōu)榈蛢?nèi)阻的電壓源，且使輸出電壓正比于輸入電荷。,實質(zhì)：具有深度電容負反饋的高增益放大器。,.,2、電荷放大器,壓電式傳感器,優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。,理想運放的特性：,Ucf反饋電容兩端的電壓； U0放大器輸出電壓； Q輸出電荷量； Cf反饋電容。,.,2、電荷放大器,壓電式傳感器,靈敏度：,幾點結(jié)論： 電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量Q和反饋電容Cf 有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)或電纜電容等均無關(guān)； 只要保持反饋電容的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成線性關(guān)系的輸出電壓U0； 反饋電容Cf小，輸出就大，靈敏度就高；因此要達到一定的輸出靈敏度，就必須適當(dāng)選擇反饋電容。 輸出電壓與電纜電容無關(guān)的條件: (1+K)Cf (Ca+Cc+Ci) 一般認為(1+K)Cf 10(Ca+Cc+Ci)時，傳感器的輸出靈敏度可以認為和電纜電容等無關(guān)。,Ca傳感器的內(nèi)