常用传感器工作原理(压电式)

第3章常用传感器的工作原理23.6压电式传感器基于某些材料的压电效应，通过材料受力作用变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量---(有源传感器)传感元件具有压电效应被测信息敏感元件转换元件信号调理电路输出信息压电元件压电元件压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的物理量，如：力、压力、加速度、机械冲击和振动等。压电传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器在工程力学、生物医学、电声学等许多技术领域得到广泛的应用。3§1压电效应正压电效应（顺压电效应）：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，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应一般将具有压电效应的电介质称为压电材料。具有压电效应的物质很多，如天然石英晶体，人工制造的压电陶瓷等。4石英晶体是应用最广的压电晶体，有天然石英和人造石英。天然石英性能较人造石英更稳定，其介电常数和压电常数的稳定性好（在几百度范围内不变），机械强度高，绝缘性好，重复性好，线性范围宽。ZXY(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX光轴（无压电效应）电轴（纵向）机械轴（横向）正压电效应最明显逆压电效应最明显石英晶体在温度低于573oC时，为-石英，属六角晶系；高于573oC时，为-石英，属三角晶系。实验证明，-石英的压电效应很明显，-石英的压电效应可忽略。-石英外形为六角形晶柱，两端是六棱锥形状，用三个互相垂直的轴来表示。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。石英晶体的压电效应5石英晶体是如何产生压电效应的？这主要与其内部结构有关。石英晶体的分子式是，每个晶体单元含有三个硅离子和六个氧离子。将它们在Z平面投影，并等效为正六边形排列。2SiO(b)(a)XY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影++---YX+6如图，A、B两个平面是在垂直X轴方向两个平面上用真空镀膜法或沉银法得到的电镀面。++---YX+AB++---YX+ABFxFx＋＋＋＋＋－－－－－－++---YX+AB＋＋＋＋＋－－－－－－－FxFx7++++－－－－++++－－－－－－－－++++－－－－++++(c)(d)FXFX(a)(b)XXFYFYXX++---YX+AB8假设从石英晶体上沿Y轴切下一片晶体切片，如下图，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。当晶片受到沿X轴方向的应力Fx作用时，晶片将在垂直X轴方向的两个电极面积聚电荷，其大小为：ZYXha石英晶体切片b11xxqdF由此可知，纵向压电效应与面积A1大小无关，即与晶体的几何尺寸无关。x轴方向受力的压电系数11d9若沿Y轴方向施加压力Fy时,则在A面上出现正电荷，在B面上出现等量的负电荷，即仍在与电轴垂直的平面上产生电荷，其大小为：12yYaqdFb此时产生的压电效应为横向压电效应，所以横向压电效应与晶体的几何尺寸有关。沿z轴方向施加力时，由于硅、氧离子是对称平移，故在表面没有电荷呈现，没有压电效应。++---YX+ABZYXha石英晶体切片b,xyqq的方向由所受力是压力还是拉力决定。10压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体，它的压电机理与石英的压电机理不同，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，这些区域会自发极化，从而存在一定的电场。在无外电场作用下，如图（a），各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为0。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后在外电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料极化。如图（b）。极化后，当外电场去掉后，陶瓷内部仍存在很强的剩余极化强度，如图（c）11通过上面的分析，在陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，一端为负。如下图。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上很快吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用。因此，陶瓷片对外不表现出极性。－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图12在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋压电陶瓷的正压电效应中，充放电多少，与外力的大小成正比，即：FdQ压电系数注意，刚刚极化后的压电陶瓷的特性是不稳定的，经过两三个月以后，压电常数才近似保持为一定常数，经过两年后，压电常数又会下降，因此做成的传感器要经常校准。13同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）14陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。压电陶瓷的压电系数比石英的大得多，价格低廉，所以获得了广泛的应用。15§2压电材料种类：压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅（PZT）等；有机压电薄膜，如聚偏二氟乙烯（PVdF）等。（一）石英晶体石英晶体是具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内几乎不随温度变化。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。161.钛酸钡压电陶瓷BaTiO3钛酸钡是由碳酸钡和二氧化钛按1：1克分子比例混合后充分研磨成形，经高温1300～1400oC烧结，然后经人工极化处理得到的压电陶瓷。这种压电陶瓷具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足是居里温度低（120oC），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2.锆钛酸铅压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300oC以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其他微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此，PZT系列压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最为广泛的压电材料。（二）压电陶瓷压电陶瓷具有很高的压电系数，因此在压电式传感器中应用十分广泛。17聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。（三）有机压电薄膜18§3压电式传感器及其等效电路当压电传感器中的压电晶体受到外力作用时，在两个极面上积聚数量相等、极性相反的电荷形成了电场。因此，可把压电传感器看成一个视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器。其电容量为＋＋＋＋――――qq电极压电晶体C(b)(a)压电传感器的等效原理aAC19由于压电晶片上有外力作用时，晶片两表面上产生电荷；当外力消失后，电荷也随之消失，因此压电传感器可以等效为一个一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)也可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为aaqUCqCaUaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路20qCaUaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路上述等效电路是在理想条件下得到的，也就是在传感器内部无漏电，外电路的阻抗是无穷大时才成立。对于压电式传感器，如果负载不是无穷大，电路会按指数规律放电，极板上的电荷无法保持不变，从而造成测量误差。因此，利用压电式传感器测量静态或准静态量时，必须采用极高阻抗的负载。在动态测量时，变化快，漏电量相对较小，故压电式传感器适宜做动态测量。21实际使用中，压电传感器往往采用两个或两个以上的晶片进行串接或并接。CCUUqq22；；图(a)为并联形式，有：图(b)为串联形式，有CCUUqq212；；并联接法，电容量大，输出电荷大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并适用于以电荷作为输出量的场合。串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号和测量电路输入阻抗很高的场合。实际使用中，一般使压电晶片有一定的预应力，当然预应力也不能太大，否则将影响压电式传感器的工作灵敏度。22实际使用中，压电传感器通过电缆与测量电路相连接，因此等效电路应考虑电缆的连接电容、后接电路（前置放大器）的输入电阻和输入电容以及压电传感器绝缘电阻。完整的等效电路如下：Ca传感器的固有电容Ra传感器的绝缘电阻Cc电缆电容Ri前置放大器输入电阻Ci前置放大器输入电容CaRaCcRiCiq压电传感器的完整等效电路CaRaCcRiCiUa23为保证传感器和测试系统具有一定的低频（或准静态）响应，就要求压电传感器的绝缘电阻Ra应保持在以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。310与之相适应的，测试系统则应具有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗Ri，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，产生测量误差。24由于压电元件产生的电量很小，所以为了测量必须加一放大器；另外，由于其自身的绝缘电阻很高，要求测量电路的前级输入端有足够高阻抗，所以前置放大器输入阻抗要高，以免电荷快速泄漏。压电传感器的前置放大器主要有两个作用：放大传感器的输出信号；把传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出（阻抗变换器）。前置放大器有两种形式：电压放大器（输出电压与输入电压成正比）电荷放大器（输出电压和输入电