传感器技术及其应用.ppt

第6章压电传感器 6 1晶体的压电效应6 2压电加速度传感器6 3压电谐振式传感器6 4声表面波传感器 6 1晶体的压电效应 6 1 1晶体压电效应的说明当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时 在其表面上会产生电荷 束缚电荷 这种效应称为压电效应 晶体的这一性质称为压电性 具有压电效应的晶体称为压电晶体 压电效应是可逆的 即晶体在外电场的作用下要发生形变 这种效应称为反向压电效应 晶体的压电效应可用图6 1来加以说明 图6 1 a 是说明晶体具有压电效应的示意图 一些晶体当不受外力作用时 晶体的正负电荷中心相重合 单位体积中的电矩 即极化强度 等于零 晶体对外不呈现极性 而在外力作用下晶体形变时 正负电荷的中心发生分离 这时单位体积的电矩不再等于零 晶体表现出极性 图6 1 b 中 另外一些晶体由于具有中心对称的结构 无论外力如何作用 晶体正负电荷的中心总是重合在一起 因此这些晶体不会出现压电效应 图6 1晶体的压电效应 a 具有压电效应的晶体 b 不具有压电效应的晶体 6 1 2压电方程晶体的压电效应是一种力电耦合效应 它是由力学量应力T和应变S与电学量电场强度E和电位移D之间互相耦合产生的 对于具有压电效应的晶体 不仅电学量E和D以及力学量T和S存在着直接的关系 同时还存在力学量和电学量之间的耦合效应 压电方程就是描写力学量间 电学量间以及力学量和电学量相互之间互相联系的关系式 实际上力学量和电学量之间的关系式还和热学量 温度和熵 有关 但对于较快的变化 例如声频或更高的频率 可认为是等熵 绝热 过程 下面的压电方程假定均适合绝热情况 对于等温情况需另加说明 在电场强度 电位移和应力 应变这四组变量中 可以任选一组力学量和一组电学量作自变量 这就有四种情况 有四组压电方程 1 选取应变分量Sk和电位移分量Dj为独立变量 得到h型压电方程 式中 cDhk是电位移不变 恒电位移 时的弹性常数或开路弹性常数 Sij是应变不变 恒应变 时的介质隔离率 也称倒介电常数 或受夹介质隔离率 hjh hik称为压电刚度常数 简称压电常数 2 选取电场强度分量Ej和应力分量Tk为独立变量 得到d型压电方程 式中 sEhk是恒电场下的柔性常数 也称短路柔性常数 Tij是恒应力下的介电常数 也称自由介电常数 djh dik称为压电应变常数 简称压电常数 3 选取应力分量Tk与电位移Dj为独立变量 得到g型压电方程 式中 sDhk是恒电位移下的柔性常数 或称开路柔性常数 Tij是恒应力下介电隔离率 也称自由介电隔离率 gjh gik称为压电电压常数 简称压电常数 4 选取应变分量Sk与电场强度分量Ej为独立变量 得到e型压电方程 式中 cEhk是恒电场下的弹性常数 或称短路弹性常数 Sij是应变不变时的介电常数或称受夹介电常数 ejh eik称为压电应力常数 简称压电常数 在压电方程中 弹性常数 柔性常数各有36个 压电常数有18个 介电常数 介电隔离率各有9个 由于晶体的对称性 独立的常数将有不同程度的减少 6 1 3压电材料 石英晶体是最早应用的压电材料 至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器 谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料 随着压电传感器的大量应用 在石英之后研制出了许多人造晶体 如ADP KDP EDT DKT和LH等压电单晶体 但由于它们的性能存在某些缺陷 后来随着人造压电石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高 这些人造单晶体已逐渐被取代了 现今压电传感器的材料大多用压电陶瓷 压电陶瓷的压电机理与单晶不同 是利用多晶压电陶瓷的电致伸缩效应 极化后的压电陶瓷可以当作压电晶体来处理 当前常用的压电陶瓷是锆钛酸铅 PZT 另外 铌酸锂和钽酸锂大量用作声表面波 SAW 器件 此外 氧化锌和氮化铝等压电薄膜已是当今微波器件的关键材料 压电单晶和压电陶瓷都是脆性材料 而以聚偏二氟乙烯 PVDF 为代表的压电高聚物薄膜 压电性强 柔性好 特别是声阻抗与水和生物组织接近 是制作传感器的良好材料 用压电陶瓷和高聚物复合而成的压电复合材料也已在压电传感器领域中得到应用 6 2压电加速度传感器 6 2 1压电加速度传感器的工作原理1 原理图6 2为压电加速度传感器的原理图 它由质量块 压电元件和支座组成 支座与待测物刚性地固定在一起 当待测物运动时 支座与待测物以同一加速度运动 压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用 在晶体的两个表面上产生交变电荷 电压 当振动频率远低于传感器的固有共振频率时 传感器的输出电荷 电压 与作用力成正比 电信号经前置放大器放大 即可由一般测量仪器测试出电荷 电压 大小 从而得知物体的加速度 图6 2压电加速度传感器原理图 图6 3作用于压电元件两边的力 2 灵敏度公式的推导如图6 3所示 作用于压电元件两边的力为 上 下 式中 M为质量块质量 m为晶片质量 a为物体振动加速度 晶片中z处任一截面上的力为 式中 l为晶片厚度 平均力为 选用d型压电方程 得 设晶片为压电陶瓷 极化方向在厚度方向 z方向 由于作用力沿着z方向 故这时只有T3不等于零 其平均值为 式中 A为晶片电极面面积 质量块一般采用质量大的金属如钨或其他金属制成 而晶片很薄 即有M m 故上式通常写为Q d33Maa g 重力加速度 时得到的电荷Q值 常称为灵敏度 单位记为C g 即灵敏度为一个g产生的电荷 上式为灵敏度的电荷表示法 灵敏度亦可用开路输出电压表示 因为 式中 Cd为晶片的低频电容 自由电容 所以 取a g 即为灵敏度的电压表示法 即一个g时产生的开路电压 单位记为V g 3 固有共振频率 由上面的灵敏度公式可见 在低频时灵敏度是一常数 它和压电常数成正比 和质量块的质量成正比 在较高的频率下该公式不适用 特别到传感器的固有共振频率附近 灵敏度急剧变化 增大 该公式一般在传感器固有共振频率的1 2 1 5以下使用 可以近似地把质量块看成一个纯质量 忽略其弹性 晶片看成一纯弹性元件 忽略其质量 来计算传感器的固有频率 如将晶片看成一弹簧 则由定义可求出其劲度系数为式中 E为压电晶片的杨氏模量 则固有频率 6 2 2压电加速度传感器的结构 图6 4 a 为常用的压缩式压电加速度传感器 这是目前最常见的一种 结构简单 装配较为方便 为便于装配和增大电容量常用两片极化方向相反的晶片 电学上并联输出 采用石英晶片时也有采用四片晶片并联的方式 图6 4压电加速度传感器的几种结构 图6 5四川绵阳科学城金桥传感器厂生产的压电加速度传感器产品系列 图6 6四川绵阳科学城金桥传感器厂生产的微型三轴向压电加速度传感器 图6 7中南大学电子设备厂生产的YD1系列压电压力传感器 图6 8中南大学电子设备厂生产的压电式振动冲击加速度传感器 图6 8压电片 图6 4 b 是剪切式压电加速度传感器 采用剪切应力实现压电转换 管式压电元件 极化方向平行于轴线 电极面在内外圆柱面上 紧套在金属圆柱上 在压电元件外径上再套上惯性质量块 相互之间用导电胶粘结 工作原理是 如传感器感受向上的运动 金属圆柱向上运动 由于惯性质量环保持滞后 这样压电元件就受剪切应力作用 从而在压电元件的内外表面上产生电荷 如果传感器感受向下的运动 则压电元件内外表面上的电荷极性相反 这种结构形式的传感器灵敏度高 横向灵敏度小 而且能减小基座应变的影响 剪切式压电传感器容易小型化 有很高的固有频率 所以频响范围宽 适于测量高频振动 但是 由于压电元件 金属圆柱以及惯性质量环之间粘结较难 装配成功率较低 图6 4 c 为弯曲式压电加速度传感器 压电晶片粘贴在悬臂梁的侧面 悬臂梁的自由端装配质量块 固定端与基座连接 振动时 悬臂梁弯曲 侧面受到拉伸压缩 使压电元件发生形变 从而输出电信号 也可用圆板代替悬臂梁 在圆周装配质量块 在圆板表面上安装压电元件 弯曲式压电加速度传感器固有共振频率低 灵敏度高 适用于低频测量 缺点是体积大 机械强度较前两种差 采用不同的结构设计和选用不同性能的压电材料 可以得到满足各种使用要求的压电加速度传感器 表6 1给出了三种基本结构的加速度传感器的一般性能 表6 1加速度传感器的一般性能 计算举例 一96 钛酸钡 4 钛酸铅的混合压电陶瓷作压电元件的加速度计 结构如图6 4 a 所示 参数如下 经计算得固有频率为 静电容量 电压灵敏度 图6 9一种压电加速度传感器的外形 6 2 3压电传感器的等效电路压电元件是压电式传感器的敏感元件 当它受到外力作用时 就会在电极上产生电荷 因此 可以把压电式传感器等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器 等效电路如图6 10 a 所示 由于电容上的 开路 电压 因此压电式传感器也可以等效为一个电压源和一个电容串联的电压源 等效电路如图6 10 b 所示 图6 10压电加速度传感器的等效电路 a 等效电荷源 b 等效电压源 当压电式传感器与测量电路配合使用时 方块图如图6 11所示 这样在等效电路中就必须将前置放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci 以及低噪声电缆的电容Cc包括进去 因此 当考虑了压电元件的绝缘电阻Rd以后 完整的等效电路可表示成如图6 12所示的电荷等效电路 a 和电压等效电路 b 这两种等效电路是完全等效的 图6 11测量电路方块图 图6 12完整的等效电路 a 电荷等效电路 b 电压等效电路 6 2 4压电传感器的测量电路 1 电压放大器压电传感器相当于一个静电荷发生器或电容器 为了尽可能保持压电传感器的输出电压 或电荷 不变 要求电压放大器应具有很高的输入阻抗 大于1000M 和很低的输出阻抗 小于100 压电传感器与电压放大器连接的等效电路如图6 13所示 图6 13 b 为图6 13 a 的简化电路 图6 13压电传感器与电压放大器连接的等效电路 假设给石英晶体压电元件沿着电轴作用的交变力为F Fmsin t 则压电元件上产生的电压值为 而送到放大器输入端的电压为Usr 表示成复数形式为 于是前置放大器的输入电压的幅值Usrm为 输入电压与作用力之间的相位差 为由式可以看出 当作用在压电元件上的力是静态力 即 时 Usrm 0 前置放大器的输入电压等于0 这从原理上决定了压电传感器不能用于静态测量 5 7 2 电荷放大器电荷放大器是一个具有反馈电容Cf的高增益运算放大器 压电传感器与电荷放大器连接的等效电路如图所示 观察上式 可以发现 电荷放大器的Usc与q成正比 电荷放大器的Usc与电缆电容Cc无关 在电荷放大器的实际电路中 考虑到被测物理量的大小 以及后级放大器不致因输入信号太大而饱和 采用可变Cf 选择范围一般在100 10000pF之间 以便改变前置级输出的大小 另外 考虑到电容负反馈支路在直流工作时相当于开路 对电缆噪声比较敏感 放大器零漂较大 因此 为了提高放大器的工作稳定性 一般在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf 约1010 1014 以提供直流反馈 电荷放大器的时常数RfCf很大 105s以上 下限载止频率低达3 10 6Hz 上限频率可高达100kHz 输入阻抗大于1012 输出阻抗小于100 压电传感器配用电荷放大器时 低频响应比配用电压放大器要好得多 可以实现对准静态的物理量进行测量 由于压电传感器的内阻抗很高 输出电信号很弱 一般需将电信号经高输入阻抗的前置放大器放大再进行传输 处理和测量 前置放大器的主要作用是将压电传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出 也起放大弱信号的作用 压电传感器的输出信号经过前置放大器的阻抗变换和放大后 就可以采用一般的放大 检波指示或通过功率放大至记录和数据处理设备 前置放大器应距传感器尽量近 常将其与传感器装配在一起 或集成在一起 否则 传感器的输出信号需由低噪声电缆输入到高输入阻抗的前置放大器 按照压电式传感器的工作原理及其等效电路 传感器可看成电压发生器 也可看成电荷生器 因此前置放大器也有两种形式 一种是电压放大器 一般称作阻抗变换器 其输出电压与输入电压成比例 另一种是电荷放大器 其输出电压与输入电荷成比例 这两种放大器的主要区别是 使用电压放大器时 测量系统的输出对电缆电容的变化很敏感 连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出 而使用电荷放大器时 电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计 允许使用很长的电缆 但它与电压放大器比较 价格要高得多 电路也比较复杂 调整又比较困难 6 3压电谐振式传感器 6 3 1石英晶体谐振式温度传感器1 工作原理压电谐振式传感器是利用压电晶体谐振器的共振频率随被测物理量变化而变化进行测量的 压电晶体谐振器常采用厚度切变振动模式AT切或BT切型的石英晶体制作 石英晶体在XYZ直角坐标中 沿不同方位进行切割 可得到不同的几何切型 而不同切型的晶片其压电常数 弹性常数 介电常数 温度特性等参数都不一样 石英晶体的切型很多 如xy 即X0 切型 表示晶体的厚度方向平行于X轴 晶片面与X轴垂直 不绕任何坐标轴旋转 简称X切 如图6 9 a 所示 又如yx 即Y0 切型 表示晶片的厚度方向与Y轴平行 晶片面与Y轴垂直 不绕任何坐标轴旋转 简称Y切 如图6 9 b 所示 等等 设计传感器时可根据需要 适当选择切型 图6 16石英晶体的切族 压电陶瓷的特点是 压电常数大 灵敏度高 制造工艺成熟 可通过合理配方和掺杂等人工控制方法来达到所要求的性能 成形工艺性好 成本低廉 利于广泛应用 压电陶瓷除具有压电性外 还具有热释电性 这一特性在2 5节中已进行了讨论 常用的一种压电陶瓷是钛酸钡 它的压电常数d33要比石英晶体的压电常数d11大几十倍 且介电常数和体电阻率也都比较高 但其温度稳定性 长时期稳定性以及机械强度都不如石英 而且工作温度最高只有80 左右 另一种著名的压电陶瓷是锆钛酸铅 PZT 压电陶瓷 它是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体 它具有很高的介电常数 工作温度可达250 各项机电参数随温度和时间等外界因素的变化较小 由于锆钛酸铅压电陶瓷在压电性能和温度稳定性等方面都远远优于钛酸钡压电陶瓷 因此 它是目前最普遍使用的一种压电材料 石英晶体的突出优点是性能非常稳定 它不需要人工极化处理 没有热释电效应 介电常数和压电常数的温度稳定性好 在常温范围内 这两个参数几乎不随温度变化 在20 200 范围内 温度每升高1 压电常数仅减小0 061 温度上升到400 压电常数d11也只减小5 但当温度超过500 时 d11值急剧下降 当温度达到573 居里点温度 时 石英晶体就完全失去压电特性 此外 它还具有自振频率高 动态响应好 机械强度高 绝缘性能好 迟滞小 重复性好 线性范围宽等优点 石英晶体的缺点是压电常数较小 因此 它大多只在标准传感器 高精度传感器或使用温度较高的传感器中用作压电元件 在一般要求测量用的压电式传感器中 则基本上采用压电陶瓷 若按不同的用途对压电性能提出的不同要求 在锆钛酸铅材料中再添加一种或两种如铌 Nb 锑 Sb 锡 Sn 锰 Mn 等微量元素 就可获得不同性能的 PZT 压电陶瓷 在压电材料中 除常用的石英晶体和PZT压电陶瓷外 人工制造的铌酸锂 LiNbO3 单晶可称得上是一种性能良好的压电材料 其压电常数达80 10 12C N 相对介电常数 r 85 它是单晶但不是单畴结构 为得到单畴结构 需作单畴化 即极化 处理 使其具有压电效应 由于它是单晶体 所以时间稳定性比压电陶瓷的好得多 更为突出的是 它的居里点温度高达1200 最高工作温度达760 因此 用它可制成非冷却型高温压电式传感器 当电极上加上电激励信号时 利用逆压电效应 振子将按其固有共振频率或其泛音产生机械振动 与此同时按照正压电效应电极板上又将出现交变电荷 通过与外电路连接的电极对振子予以适当的能量补充 便可构成使电和机械的振荡等幅地持续下去的振荡电路 图6 9为放大器表示法的压电晶体振荡电路 6 3 2新型压电材料 1 压电半导体压电半导体材料有硫化锌 ZnS 碲化镉 CdTe 氧化锌 ZnO 硫化镉 CdS 碲化锌 ZnTe 和砷化镓 GaAs 等 这些材料的显著特点是 既有压电特性 又有半导体特性 因此 既可用其压电特性研制传感器 又可用其半导体特性制作电子器件 也可以两者结合 集敏感元件与电子线路于一体 研制新型集成压电传感器测试 2 有机高分子压电材料某些合成高分子聚合物 如聚氟乙烯 PVF 聚偏二氟乙烯 PVF2 聚氯乙烯 PVC 等 经延展拉伸和电极化后可形成具有压电性高分子的压电材料 聚偏二氟乙烯 PVF2 是有机高分子半晶态聚合物 结晶度约50 PVF2原料可制成薄膜 厚膜 管状和粉状等各种形状 当聚合物由150 熔融状态冷却时主要生存 晶型 晶型没有压电效应 若将 晶型定向拉抻 则得到 晶型 晶型的碳 氟偶极矩在垂直分子链取向 形成自发极化强度 再经一定的极化处理后 晶胞内部的偶极矩进一步旋转定向 形成垂直于薄膜平面的碳 氟偶极矩固定结构 当薄膜受外力作用时 剩余极化强度改变 薄膜呈现出压电效应 PVF2压电薄膜的压电灵敏度极高 比PZT压电陶瓷大17倍 且在10 5Hz 500MHz频率范围内具有平坦的响应特性 此外 它还有机械强度高 柔软 不脆 耐冲击 易加工成大面积元件和阵列元件 价格便宜等优点 图6 16压电晶体振荡电路 Y切的晶体作厚度剪切模振动时有正的频率温度系数 在长度方向上振动时有负的频率温度系数 总的温度系数可以从 20 10 6 C到 100 10 6 C X切的晶体在厚度方向上振动时 频率温度系数近似为 20 10 6 C 可根据对频率温度系数的要求加以选择 可根据温度每变化1 C振荡频率变化若干Hz的要求与晶体的频率温度系数来确定振荡电路的基本共振频率 例如 要求温度变化1 C频率变化1000Hz 亦即分辨率为0 001 C 如果晶体的频率温度系数为35 4 10 6 C 则晶体的基本共振频率为 一种具有线性温度 频率特性的石英切型 是如图6 10所示的LC切 yxwl 11 10 9 24 的平凸透镜形谐振器 当谐振器的直径为6 25mm 表面曲率半径约为125mm时 谐振频率取28MHz 三次谐波 可满足上例要求 图6 17LC切平凸透镜形谐振器 2 结构和电路框图谐振器置于充氦气TO 5型三极管壳内 管壳内压力约133Pa 为了降低热惰性 压电元件置于外壳的上盖附近 使其与上盖的间隙尽量小 该温度传感器在10 9000Hz的频率范围内 经受单次冲击达104g 振动加速度幅值达104m s2的情况下 仍能保持其初始灵敏度 其他性能指标为 分辨率0 0001 C 绝对误差0 02 C 温度频率特性的非线性为0 05 C 0 100 C 热惰性时间常数为1s 在水中 与该传感器配套的测温仪电路框图如图6 11所示 该测温仪能够进行T1和T2两路的温度测量 还能确定温差T1 T2 转换分辨率选择开关 可按10 2 10 3或10 4 C的分辨率进行测量 如果采用一个传感器测温 传感器相应的热敏振荡信号与基准振荡器十倍频后的信号混频后输出 输出值除以1000Hz C即为被测温度 图6 18测温仪电路框图 6 3 3振动和检测 振动的监控 检测是压电传感器应用的典型 众所周知 振动存在于所有具有动力设备的各种工程或装置中 并成为这些工程设备的工作故障源以及工作情况监测信号源 目前 对这种振动的监控 检测 多数采用压电加速度传感器 为发电厂汽轮发电机工作情况 振动 监测系统工作示意图 众多的压电加速度传感器分布在轴承等高速旋转的要害部位 并用螺栓刚性固定在振动体上 假如使用我们前面介绍过的压缩型加速度传感器 则当传感器受振动体的振动加速度时 质量块产生的惯性力F作用于压电元件上 从而产生电荷q输出 通常 这种传感器输出q与输入加速度成正比 因此 就不难求出加速度a 图6 19汽轮发电机的工况监测系统 传感器的电荷灵敏度为式中 d为压电常数 a为被测加速度 m为传感器中质量块的质量 由这个公式可见 通过选用较大的m和d就能提高灵敏度 但质量增大将引起传感器固有频率下降 频宽减小 且体积 重量增加 通常多采用较大压电常数的材料或多个压电片组合来提高灵敏度 6 3 4 压电引信 压电引信是一种利用钛酸钡或锆钛酸铅压电陶瓷的压电效应制成的军用弹丸启爆装置 它具有瞬发度高 安全可靠 不需要配置电源等特点 常应用于破甲弹上 对提高弹丸的破甲能力起着极其重要的作用 其结构如图所示 整个引信由压电元件和启爆装置两部分组成 压电元件安装在弹丸的头部 启爆装置设置在弹丸的尾部 通过导线互相连接 压电引信的原理电路如图所示 平时 电雷管E处于短路保险安全状态 压电元件即使受压 其产生的电荷也会通过电阻R泄放掉 不会使电雷管动作 弹丸一旦发射后 引信启爆装置即解除保险状态 开关S从a处断开与b接通 处于待发状态 当弹丸与装甲目标相遇时 强有力的碰撞力使压电元件产生电荷 经导线传递给电雷管使其启爆 并引起弹丸的爆炸 锥孔炸药爆炸形成的能量使药形罩熔化 形成高温高速的金属流将坚硬的钢甲穿透 起到杀伤作用 图6 20破甲弹上的压电引信的结构 图6 21压电引信原理电路 6 3 5压电式料位测量系统 压电式料位测量系统原理电路如图所示 由图可见 系统由振荡器 整流器 电压比较器及驱动器组成 振荡器是由运算放大器IC1和外围RC组成的一种常用自激方波振荡器 压电传感器接在运算放大器的反馈回路中 振荡器的振荡频率是压电晶体的自振频率 振荡信号经C2耦合到整流器 进入整流器的振荡信号经整流器整流 再经R7 R8分压及C3滤波后 得到一稳定的直流电压加在由IC2构成的电压比较器的同相端 在电压比较器的反相端加有由R9 R10和Rw分压器分压的参考电压 压电晶体片作为物料的传感器被粘贴在一个壳体上 图6 22压电式料位测量系统原理电路 当没有物料接触到压电晶体时 振荡器正常振荡 经调整RP使电压比较器同相输入端的电压大于参考电压 故电压比较器输出为高电平 这个高电平使V导通 若在输出端与电源 US间接入负载 负载中将有电流流过 当物料升高接触到压电晶体时 振荡器停振 电压比较器同相端相对于参考电压变为低电平 电压比较器输出低电平 V截止 负载中无电流流过 显然 可以从系统输出端输出的电压或负载的动作上得知料位的变化情况 该系统实际上可起到料位开关的作用 这种系统可方便地做成常闭型和常开型两种形式 常闭型是在振荡器起振时 让驱动器导通 常开型是在振荡器起振时 让驱动器截止 使用压电传感器时 要充分注意消除环境温度 湿度的影响 传感器的基座应变的影响 电缆噪声的影响等 以保证系统的精度 压电传感器在实际应用中 地线的连接也十分重要 如果各仪器 或测量装置 和传感器各自接地 由于不同的接地点之间存在电位差 U 这样就会在接地回路中形成回路电流 导致在测量系统中产生噪声信号 消除这种接地回路噪声信号的有效办法是整个测量系统在一点接地 如图所示 由于没有接地回路 因此消除了回路电流和噪声信号 图6 23压电传感器实际应用中一点接地示意图 6 3 3压电汞蒸气探测器石英晶片的共振频率f因附加到其上的质量的增减而变化 即 式中 f是共振频率的变化 Hz m是涂层吸附的附加质量 g A是涂层面积 cm2 由上式可知 如使晶片的涂层具有吸附某种气体成分的功能 则可通过测量共振频率的变化 得知该气体成分是多少 压电汞蒸气探测器是在石英晶片的电极上沉积金膜 金膜能吸收汞生成汞齐 是良好的检测汞的涂层材料 一实验装置用9MHz的AT切石英晶片 用真空沉积法在电极上沉积金膜 装在晶体盒内 作为敏感元件 实验装置的框图 如图6 24所示 实验表明 空气中汞浓度在3ppb以下或吸附汞量在246ng以下 频率变化是线性的 如图6 25所示 图6 24实验装置的框图 图6 25空气中汞浓度与频率变化的关系 6 3 4测量液体密度的压电传感器测量液体密度的压电传感器的敏感元件是一个由压电晶片激励的空心音叉 图6 26为其结构示意图 音叉由不锈钢管制作 其Q值高达800 接近一般音叉 可满足检测共振频率微小变化的需要 两片压电陶瓷晶片 一片激励叉臂产生振荡 另一片接收信号 图6 26传感器结构示意图 流过音叉液体密度的微小变化 会导致音叉共振频率发生变化 关系式为 式中 为液体密度 f为共振频率 A B为定标系数 图6 27是测量系统的方块图 由微型计算机控制的频率发生器激励传感器振动 晶片接收的信号经A D变换后输给微型计算机 由微型计算机算出频率和密度 最后传输给显示器显示 该系统能连续测量流动液体的密度 测量迅速方便 测量的七种液体 蒸馏水及六种不同配比的乙醇与水和丙三醇与水 密度与频率的关系 如图6 28所示 测量值与校正值之间的相对偏差小于0 05 图6 27测量系统的方块图 图6 28密度与频率的关系 6 4声表面波传感器 6 4 1SAW传感器的基本原理SAW传感器的基本原理是 在压电材料表面形成叉指换能器 构成SAW振荡器或谐振器 适当设计SAW振荡器或谐振器 使其对微细的待测量敏感 一般是使待测量作用SAW的传播路径 引起SAW的传播速度发生变化 从而使振荡频率发生变化 通过频率的变化检测待测量 由于是频率输出 很容易转换成数字形式 有利于高精度测量与计算机接口 1 SAW叉指换能器SAW的发射和接收是靠SAW叉指换能器来实现的 叉指换能器是由若干条淀积在压电材料衬底上的金属膜电极组成 基本结构如图6 29所示 这些电极条互相交叉配置 两端由汇流条连接在一起 其形状如同交叉平放的两排手指 故称为叉指电极 该种换能器称为叉指换能器 InterdigitalTransducer 简称IDT 图6 29SAW叉指换能器结构 IDT是利用压电材料的压电效应来激励和接收SAW的 IDT是可逆的 既可用作发射换能器 用来激励SAW 又可用作接收换能器 用来接收SAW 当用作发射换能器时 在电极上施加适当频率的交变电信号 压电基片内的电场分布如图6 30 a 所示 该电场可分解为垂直和水平两个分量 可近似为横场模等效 图6 30 b 或纵场模等效 图6 30 c 视压电材料和切割方法的不同 选取其一 图6 22叉指换能器激励SAW示意图 2 SAW振荡器SAW振荡器也称SAW延迟线振荡器 它由一组SAW发射 接收IDT和反馈放大器组成 如图6 31所示 由发射换能器发射的表面波经媒质延迟被接收换能器接收 接收的信号经放大器放大 再反馈到发射换能器构成振荡回路 当放大器的增益可以补偿延迟线的损耗同时又满足一定的相位条件时 振荡器就可以起振 其振荡条件是 图6 31SAW振荡器 式中 A是放大器增益 LP是SAW延迟线的传播损耗 LB是IDT的双向损耗 LC是放大器和IDT之间的变换损耗 D l v E是放大器通配网络和IDT的相移 l为收发换能器的距离 v为波速 通常相应的延迟相移 l v E 所以 起振的相位条件可写为 6 1 3 SAW谐振器SAW谐振器由IDT和栅格反射器组成 栅格反射器是在压电基片表面上设置的