《检测技术》-第６章　压电式传感器

６.１压电式传感器的工作原理６.１.１压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施加力而使其变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上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，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷极性也随时改变。有时把这种机械能转化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变形，这种现象称为逆压电效应或称电致伸缩效应。与正压电效应过程相反，逆压电效应过程是把电能转化为机械能的过程。具有压电效应的材料称为压电材料，利用压电材料能实现机—电能量的相互转换。下一页返回６.１压电式传感器的工作原理６.１.２压电材料自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分明显的不多。天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良的压电材料。具有压电效应的物质很多，可分为三大类：一是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他单晶；二是压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，其中有压电半导体和有机高分子压电材料两种。压电材料的主要特性参数如下：压电系数———衡量材料压电效应强弱的参数，压电系数越大，压电效应越明显。上一页下一页返回６.１压电式传感器的工作原理弹性常数———压电材料的弹性常数，机械强度、刚度决定着压电器件的线性范围、固有振动频率。介电常数———一定形状和尺寸的压电元件，固有电容与介电常数有关，而固有频率又影响着压电传感器的下限。机电耦合参数———衡量压电材料机电能量转换效率的重要参数，其值等于转换输出能量（如电能）与输入能量（如机械能）之比的平方根。电阻———压电材料的绝缘电阻，决定着电荷泄漏快慢，是决定压电传感器低频特性的主要参数。居里点———压电材料的温度达到某一值时，便开始失去压电特性，这一温度称为居里点，或称居里温度。常用压电材料的主要特性见表６－１。上一页下一页返回６.１压电式传感器的工作原理１.石英晶体石英是典型的压电晶体，其化学成分是二氧化硅（ＳｉＯ２），如图６－１所示，它是一个正六面体。用一个三维坐标轴表示，纵向轴Ｚ称为光轴，经六面体棱线并垂直于光轴的Ｘ轴称为电轴，与Ｘ轴和Ｚ轴同时垂直的Ｙ轴称为机械轴。通常把沿电轴Ｘ轴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轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。沿光轴Ｚ轴方向受力不产生压电效应。上一页下一页返回６.１压电式传感器的工作原理２.压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷显中性，不具有压电性质，如图６－２所示。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下做极化处理，极化处理后，陶瓷材料内部存在很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，其表面也能产生电荷。所以压电陶瓷也具有压电效应，如图６－２（ｂ）（ｃ）所示。上一页下一页返回６.１压电式传感器的工作原理３.新型压电材料（１）压电半导体有些晶体既具有半导体特性又具有压电特性，如硫化锌（ＺｎＳ）、氧化锌（ＺｎＯ）、硫化镉（ＣｄＳ）、砷化镓（ＣａＡｓ）等。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；也可两者结合，集组件与线路于一体，研制新型集成压电传感器。上一页下一页返回６.１压电式传感器的工作原理（２）有机高分子压电材料①某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子薄膜，如聚氟乙烯（ＰＶＦ）、聚偏氟乙烯（ＰＶＦ２）、聚氯乙烯（ＰＶＣ）等。独特的优点是质轻柔软、抗拉强度高、耐冲击。体电阻达１０１２Ω·ｍ，击穿强度为１５０～２００ｋＶ／ｍｍ，便于大量生产和大面积使用，可制成大面积数组传感器乃至人工皮肤。②在高分子化合物中掺杂压电陶瓷ＰＺＴ或ＢａＴｉＯ３粉末制成高分子压电薄膜，这种复合压电材料同样既保持高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。上一页返回６.２压电式传感器的等效电路和测量电路６.２.１压电晶片的连接方式压电式传感器的基本原理是压电材料的压电效应。因此可以用它来测量力和与力有关的参数，如压力、位移、加速度等。由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电式传感器不宜做静态测量。只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电式传感器只宜做动态测量。下一页返回６.２压电式传感器的等效电路和测量电路制作压电式传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此接法有并连和串联两种，如图６－３所示。并联连接时压电式传感器的输出电容Ｃ′和极板上的电荷ｑ′分别为单块晶体片的２倍，而输出电压Ｕ′与单片上的电压相等。即串联时，输出总电荷ｑ′等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的２倍，总电容应为单片的１／２。即上一页下一页返回６.２压电式传感器的等效电路和测量电路由此可见，并连接法虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量慢变化信号，并以电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电容小，适宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。６.２.２压电式传感器的等效电路当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，因此压电片相当于一只平行板介质电容器，如图６－４所示。其电容量为上一页下一页返回６.２压电式传感器的等效电路和测量电路所以，可以把压电式传感器等效为一个电压源Ｕ＝ｑ/Ｃａ和一只电容Ｃａ串联的电路，如图６－５（ａ）所示。由图６－５可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压Ｕ才能长期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数ＲＣａ按指数规律放电。压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联电路，此时，该电路被视为一个电荷发生器，如图６－５（ｂ）所示。压电式传感器在实际使用时，总是要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容Ｃｃ、放大器的输入电阻Ｒｉ和输入电容Ｃｉ，这样压电式传感器在测量系统中的等效电路就应如图６－６所示，图中Ｃａ、Ｒｄ分别为传感器的电容和漏电阻。上一页下一页返回６.２压电式传感器的等效电路和测量电路６.２.３压电式传感器的测量电路为了保证压电式传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载电阻ＲＬ要大到一定数值，才能使晶体片上的漏电流相应变小，因此在压电式传感器输出端要接入一个输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：一是放大传感器输出的微弱信号；二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。根据前面的等效电路，压电式传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。上一页下一页返回６.２压电式传感器的等效电路和测量电路因为压电式传感器的内阻抗极高，所以它需要与高输入阻抗的前置放大器配合。如果使用电压放大器，那么电压放大器的输入电压与屏蔽电缆线的分布电容Ｃｃ及放大器的输入电容Ｃｉ有关，它们均是变数，会影响测量结果，故目前多采用性能稳定的电荷放大器，如图６－７所示。电荷放大器是一个有反馈电容Ｃｆ的高增益运算放大器。当放大器开环增益Ａ和输入电阻Ｒｉ、反馈电阻Ｒｆ（用于防止放大器直流饱和）相当大时，放大器的输出电压Ｕｏ正比于输入电荷ｑ，即当Ａ足够大时，则有上一页下一页返回６.２压电式传感器的等效电路和测量电路由式（６.２）可知，电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆电容等其他因素的影响可忽略不计，这是电荷放大器的最大特点。图６－８所示为电荷放大器电路的实用电路。要注意的是，无论是电压放大器还是电荷放大器的输入端都应加过载保护电路，否则，在传感器过载时会产生过高的输出电压。上一页返回６.３压电式传感器的应用压电式传感器已被广泛用于工业、军事和民用等领域，表６－２列出了其主要应用类型，其中力敏类型应用最多。６.３.１压电式加速度传感器图６－９所示为ＢＡＴ－５型压电式加速度传感器的结构。压电片（采用锆钛酸铅）放在基座上，上面为重块组件，用弹簧片把压电片压紧，基座固接于待测物上，当待测物振动时，传感器也受到同样的振动，此时惯性质量产生一个与加速度成正比的惯性力Ｆ作用在压电片上，因而产生了电荷ｑ，因为Ｆ＝ｍａ，ｍ是重块组件的质量，在传感器中是一常数，所以Ｆ与所测加速度ａ成正比。下一页返回６.３压电式传感器的应用压电加速度传感器的频率范围宽，线性好，而且尺寸小、质量轻，附加于被测物件上不会使振动信号严重失真，从而在振动测量中应用非常广泛。表６－３所示为一种６２００系列集成压电加速度计主要技术参数，这种产品和一般压电加速度计不同的地方是在传感器内部含集成电路，用以进行阻抗变换。６.３.２压电式压力传感器压电式压力传感器根据使用要求不同，有各种不同的结构，