压电式传感器

4.7压电式传感器

压电式传感器是基于某些材料的压电效应工作的。当沿一定方向对某些材料（如石英晶体）施加外力使之变形时，在一定表面上产生电荷，当外力消失后，电荷随之消失，这一现象称为压电效应。具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料的压电效应是可逆的。在压电材料的极化方向施加一电场，压电材料将产生机械变形，外加电场消失，机械变形也随之消失，这一现象称为逆压电效应。4.7.1压电材料的特性图4-93石英晶体的晶轴及其切片a）石英晶体的晶轴 b）石英晶体切片某些电介质，当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，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换，如图1所示。

在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。图1压电效应可逆性1.1石英晶体石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图2(a)表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x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y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。4.7.2常用压电材料图2石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片图3石英晶体压电模型(a)不受力时；(b)x轴方向受力；(c)y轴方向受力d11为压电系数（C/N）石英d11＝2.1×10-12C/N1.2压电陶瓷（压电陶瓷的压电系数是石英晶体的几十倍到几百倍。）压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质,如图4（a）所示。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性,如图4（b）所示。1.3压电式传感器压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。压电陶瓷的部分应用利用压电陶瓷将外力转换成电能的特性，可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，并将极其微弱的机械振动转换成电信号。利用压电陶瓷的这一特性，可应用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等方面。

在医学上，医生将压电陶瓷探头放在人体的检查部位，通电后发出超声波，传到人体碰到人体的组织后产生回波，然后把这回波接收下来，显示在荧光屏上，医生便能了解人体内部状况。图5压电元件连接方式(a)相同极性端粘结；(b)不同极性端粘结单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。图6压电元件变形方式(a)厚度变形(TE)(b)长度变形(LE)

(c)体积变形(VE)

(d)面切变形(FS)

(e)剪切变形(TS)4.7.3压电传感器的等效电路和测量电路图4-95 压电元件的等效电路a）结构图 b）等效电荷源 c）等效电压源

压电元件受力作用时产生电荷，它相当于一个电荷发生器，可将压电元件看作为一个电容器，见图4-95a，其电容量为：图4-96电荷源等效电路a）等效电路 b）简化等效电路

图4-97 电压源等效电路a）等效电路 b）简化等效电路

图4-98 压电传感器的频率响应曲线a）直流或静态被测量 b）低频被测量 c）高频被测量

由此可见，压电传感器不能测量直流或静态的物理量，只能测量具有一定频率的物理量，这说明压电传感器的低频响应较差，而高频响应相当好，适用于测量高频物理量。测量电路压电元件的内阻很高，输出信号能量微弱，为提高测量精度，必须设置前置放大器。前置放大器的作用是阻抗变换和信号放大。根据等效电路，前置放大器有电压放大器和电荷放大器两种。图4-99压电元件与电压放大器连接等效电路图4-100电荷放大器等效电路压电式传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，其测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。

1)电压放大器（阻抗变换器）电压放大器电路原理及其等效电路图（a）放大器电路;（b）等效电路

设压电元件为压电陶瓷，在交变力作用下，产生的电荷为：放大器输入电压为：放大器输入电压的幅值为：输入电压与作用力的相位差为：传感器的电压灵敏度为：若被测信号的频率足够高，即，则传感器的灵敏度为：上式表明，由于电缆电容及放大器输入电容的存在，使灵敏度减小。如果更换连接电缆，则必须重新校正灵敏度，以保证其测量精度。2)电荷放大器电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。式中：uo——放大器输出电压；

ucf——反馈电容两端电压。若忽略压电元件的绝缘电阻和放大器的输入电阻，根据虚地原理应将折合到放大器输入端，得：输出电压为：只要开环放大倍数足够高，满足，则上式可简化为：式中，“-”表示输出信号与输入信号反相。可见，输出电压正比于输入电荷q，传感器灵敏度与分布电容无关，因此连接电缆可长达数百米，甚至千米，灵敏度却无明显下降，显示了电荷放大器的突出优点。图4-100电荷放大器等效电路4.7.4压电传感器的应用压电传感器具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、高频特性好、灵敏度和信躁比高等特点。因此被广泛应用于电子、通信、航空、运输、工农业以及医学等部门，用于测量力以及与力有关的物理量（例如压力、物位、流量、应力、速度、加速度、扭矩、振动、位移等）。随着电子技术的发展，微型化、集成化和智能化等