1、6.1压电效应及压电材料压电效应及压电材料6.2压电传感器测量电路压电传感器测量电路6.3压电式传感器的应用压电式传感器的应用 第第6章章 压电式传感器压电式传感器返回主目录第第6章章 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小#,重量轻#,工作频带宽等特点,因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就
2、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,其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”（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6-1所示。在自然界中大多数晶体具有压电效应,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。压电材料的主要特性参数有
3、:（1）压电常数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）弹性常数压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4）机械耦合系数在压电效应中,其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。一、一、石英晶体石英晶体 石英晶体化学式为SiO2,是单
4、晶体结构。图6-2（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 轴称为电轴,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 方向受力时不产生压电效应。若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 6-2（c）所示晶片,当在电轴方向施加作用力时,在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷,其大小为 qx=d11 fx (6-1)式中:d11x方向受力的压电系数;fx
5、作用力。若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为 qy=d12 fy （6-2）式中:d12y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;a、b晶体切片长度和厚度。电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。图中“”代表Si4+离子,“”代表氧离子O2-。当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图 6-3（a）所示。因为P=q
6、L,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。如图 6-3（b）所示,此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）x 0。在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图6-3（c）所示,与图6-3（b）情况相似,P1增大,P2、P3 减小。在x轴上出现电荷,它的极
7、性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。二、二、压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。如图 6-4（a）所示。在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转
8、动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。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,外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化,当陶瓷材料受到外力作用时,电畴的界限发生移动,电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的变化,因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应,将机械能转变为电能的现象,就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33 F (
9、6-3)式中:d33 压电陶瓷的压电系数;F作用力。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关,它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍,但使用温度较低,最高只有70,温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）,它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi）O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸
10、铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅(Pb（Mg Nb ）O3)、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷,具有极高的压电系数和较高的工作温度,而且能承受较高的压力。31326.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路 一、一、压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为 Ca=(6-4)式中:A压电片的面积;d压电片的厚度;r压电材料的相对介电常数。dA
11、r0 因此,压电传感器可以等效为一个与电容相并联的电压源。如图6-5（a）所示,电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为 Ua=(6-5)压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图6-5（b）所示。压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接,因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc,放大器的输入电Ri,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra,这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路,如图6-6所示。aCq 二、二、压电式传感器的测量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,因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为:一是把它的高输
12、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）图6-7（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。在图6-7（b）中,电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Ca+Cc+Ci,而ua=q/Ca,若压电元件受正弦力f=Fmsint的作用,则其电压为wtUwtCdFumamasinsin 式中:Um压电元件输出电压幅值Um=dFm/Ca;d压电系数。由此可得放大器输入端电压Ui,其复数形式为)(1aiiCCjwRjwRdfU 的幅值为iUimU)(122
13、icamimCCCRRdFU 输入电压和作用力之间相位差为)(arctan2RCCCica 在理想情况下,传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大,即（Ca+Cc+Ci）R1,那么由式（6-8）可知,理想情况下输入电压幅值Uim为icamimcccdFU式（6-10）表明前置放大器输入电压Uim与频率无关。一般认为/03时,就可以认为Uim与无关,0表示测量电路时间常数之倒数,即0=1/R（Ca+Cc+Ci）。这表明压电传感器有很好的高频响应,但是,当作用于压电元件力为静态力（=0）时,则前置放大器的输入电压等于零,因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉,所以压电传感器
14、不能用于静态力测量。当R（Ca+Cc+Ci）1 时,放大器输入电压Uim如式（6-10）所示。式中Cc为连接电缆电容,当电缆长度改变时,Cc也将改变,因而Uim也随之变化。因此,压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换,否则将引入测量误差。2.电荷放大器电荷放大器 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,当略去Ra和Ri并联电阻后,电荷放大器可用图6-8 所示等效电路,图中A为运算放大器增益。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,其输出电压Uo为 Uo UCf=fcq 式中:Uo放大器输出电压;UCf反馈电容两端电压。由运算放大器基
15、本特性,可求出电荷放大器的输出电压icaCCCAqU0 通常A=104106,因此若满足（1+A）Cf Ca+c+Ci时,式（6-2）可表示为 Uo -fcq 由式（6-13）可见,电荷放大器的输出电压Uo与电缆电容Cc无关,且与q成正比,这是电荷放大器的最大特点。6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 一、一、压电式测力传感器压电式测力传感器 图 6-9 是压电式单向测力传感器的结构图,它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件,它的外缘壁厚为0.10.5mm,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型,利用其纵向压电效应,通
16、过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为81 mm。该传感器的测力范围为050 N,最小分辨率为0.01,固有频率为5060 kHz,整个传感器重10g。二、二、压电式加速度传感器压电式加速度传感器 图 6-10 是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数,即 F=ma （6-14）式中:F质量块产生的惯性力;m质量块的质量;a加速度。此时惯性力F作用于压电元件上,因而产生电荷q,当传感器选定后,m为常
17、数,则传感器输出电荷为 q=d11F=d11ma （6-15）与加速度a成正比。因此,测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。三、三、压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量 图 6-11 是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便测得切削力的变化。四、四、压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 BSD2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器,它利用压电元件对振动敏感的特性来
18、感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出 输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。BSD2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路见图 6-12 所示。传感器的最小输出电压为 100 mV,最大输出电压为 100 V,内阻抗为 1520 k。报警器的电路框图见图 6-13。使用时传感器用胶粘贴在玻璃上,然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度,信号经放大后,需经带通滤波器进行滤波,要求它对选定的频谱通带的衰减要小,而带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内,这就使滤波器成为电路中的关键。当传感器输出信号高于设定的阈值时,才会输出报警信号,驱动报警执行机构工作。
