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      一文讀懂壓電式傳感器

      2019-01-30 13:10:59 249

      【摘自“傳感器技術”】

      壓電式傳感器可以對各種動態力、機械沖擊和振動進行測量,在聲學、醫學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。它具有體積小、質量輕、頻響高、信噪比大等特點。 

      壓電式傳感器

      壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應,是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時,其表面會有電荷產生,從而實現非電量測量。  

      壓電效應

       

      某些電介質,當沿著一定方向對其施力而使它變形時,其內部就產生極化現象,同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷,當外力去掉后,其又重新恢復到不帶電狀態,這種現象稱壓電效應。相反,當在電介質極化方向施加電場,這些電介質也會產生變形,這種現象稱為“逆壓電效應”(電致伸縮效應)。 

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      壓電材料

       

      石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優良的壓電材料。應用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類:壓電晶體、經過極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。

      他們都具有較大的壓電常數,機械性能良好,時間穩定性好,溫度穩定性好等特性,所以是較理想的壓電材料。

       1、壓電晶體

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      天然形成的石英晶體外形


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      石英晶體切片及封裝

      石英晶體在振蕩電路中工作時,壓電效應與逆壓電效應交替作用,從而產生穩定的振蕩輸出頻率。  

      石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體,屬于六角晶系。它為規則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸:x軸、y軸和z軸。vz軸又稱光軸,它與晶體的縱軸線方向一致:x軸又稱電軸,它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸:y軸又稱為機械軸,它垂直于兩個相對的晶柱棱面。 

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      石英晶體的壓電效應與其內部結構有關,產生極化現象的機理可說明。石英晶體的化學式為SiO2,它的每個晶胞中有3個硅離子和6個氧離子,一個硅離子和兩個氧離子交替排列(氧離子是成隊出現的)。沿光軸看去,可以等效地認為正六邊形排列結構。

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      圖中1—正電荷等效中心  2—負電荷等效中心

      (1)在無外力作用時 

      (2)當晶體沿電軸(x軸)方向受到壓力時,晶格產生變形 

      (3)同樣,當晶體的機械軸(y軸)方向受到壓力時,也會產生晶格變形

      4)當晶體的光軸(z軸)方向受到受力時,由于晶格的變形不會引起正負電荷中心的分離,所以不會產生壓電效應。 

      沿機械軸方向的力作用在晶體上時,產生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關,式中的負號說明沿機械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。 


      2、壓電陶瓷 

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      壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內部的晶粒有許多自發極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場。在無外電場作用時,電疇在晶體中雜亂分布,它們各自的極化效應被相互抵消,壓電陶瓷內極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質。

      在陶瓷上施加外電場時,電疇的極化方向發生轉動,趨向于按外電場方向的排列,從而使材料得到極化。外電場愈強,就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度,即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時,當外電場去掉后,電疇的極化方向基本沒變化,即剩余極化強度很大,這時的材料才具有壓電特性。 

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      壓電陶瓷的極化   (a) 未極化; (b) 電極化 

      壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的大得多,所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關,它的參數也隨時間變化,從而使其壓電特性減弱。        

       

      3、新型壓電材料

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      壓電薄膜


      (1)  壓電半導體材料

      壓電半導體材料有ZnO、CdS(硫化鎘) 、CdTe(碲化鎘 )等,這種力敏器件具有靈敏度高,響應時間短等優點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料,可檢測力和溫度等參數。

      (2)  高分子壓電材料

      某些合成高分子聚合物薄膜經延展拉伸和電場極化后,具有一定的壓電性能,這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料,不易破碎,可以大量生產和制成較大的面積。


      4、壓電材料的主要特性參數

      1)壓電常數:壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數,它直接關系到壓電輸出的靈敏度。

      2)彈性常數:壓電材料的彈性常數、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態特性。

      3)介電常數:對于一定形狀、尺寸的壓電元件,其固有電容與介電常數有關;而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

      4) 機械耦合系數:在壓電效應中,其值等于轉換輸出能量(如電能)與輸入的能量(如機械能)之比的平方根;它是衡量壓電材料機電能量轉換效率的一個重要參數。

      5)電阻壓電材料的絕緣電阻:將減少電荷泄漏,從而改善壓電傳感器的低頻特性。

      6)居里點:壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。


       

      壓電式傳感器的測量電路

       

      1、壓電式傳感器的等效電路

      將壓電晶片產生電荷的兩個晶面封裝上金屬電極后,就構成了壓電元件。當壓電元件受力時,就會在兩個電極上產生電荷,因此,壓電元件相當于一個電荷源;兩個電極之間是絕緣的壓電介質,因此它又相當于一個以壓電材料為介質的電容器,其電容值為 Ca = εRε0A/δ

      v壓電元件等效為一個與電容相并聯的電荷源,也可以等效為一個與電容相串聯的電壓源

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      壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電元件只有在交變力的作用下,電荷才能源源不斷地產生,可以供給測量回路以一定的電流,故只適用于動態測量。 

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      2、壓電式傳感器測量電路 

      壓電式傳感器的內阻很高,要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合,與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接,防止電荷的迅速泄漏而使測量誤差減少。

      壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個:一是把傳感器的高阻抗輸出變為低阻抗輸出;二是把傳感器的微弱信號進行放大。

      根據壓電式傳感器的工作原理及等效電路,它的輸出可以是電荷信號,也可以是電壓信號,因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。

      由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關,故目前多采用電荷放大器。

      (1)電荷放大器 

      v并聯輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實際上是一個具有反饋電容Cf的高增益運算放大器電路 

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      電荷放大器原理圖 

      電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關,電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計。

      (2)電壓放大器(阻抗變換器)

      串聯輸出型壓電元件可以等效為電壓源,但由于壓電效應引起的電容量很小,因而其電壓源等效內阻很大,在接成電壓輸出型測量電路時,要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數,而且應具有很高的輸入阻抗 

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