课题二 压电传感器的转换原理

课题二 压电传感器的转换原理 任务目标 ★ 掌握压电式力敏传感器的工作原理； ★ 掌握电容应变式力敏传感器的工作原理； ★ 了解压电应变式和电感应变式力敏传感器之间的区别。 压电传感器是利用某些半导体材料的压电效应来实现由力至电量的转化，属于有源传感器类。由于其灵敏系数高，信噪比高，使用频带宽，体积小，方便耐用等优点已广泛应用在工业、军事及民用等方面。压电传感器材料一般有三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。 一、压电传感器 1．压电转换元件的工作原理 （1）压电效应 某些晶体或有机薄膜，当沿着一定方向受到外力作用时，内部极化，某两个面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又恢复到不带电状态，当作用力方向改变时，电荷的极性也改变，晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比，即 式中，是压电常数，它反映了压电效应的强弱。上述现象称正压电效应。反之，如对晶体施加一交变电场，晶体本身将产生变形，此称电致伸缩现象，也称逆压电效应，如图2-14所示。 （2-9） （a）材料受压 （b）材料受拉 （c）材料受压 （d）材料受拉 图2-14 压电效应 （2）压电传感器材料及特性 常用压电传感器的材料一般有压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。 ① 石英单晶分人工石英和天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数的温度稳定性好，如图2-15所示。适用的工作温度范围宽，动态响应快，机械强度大，弹性系数高，稳定性好。 （a）压电常数与温度的关系 （b）介电常数与温度的关系 石英晶体的外形是规则的六角棱柱体，它有三个晶轴，如下图所示。 石英晶体的坐标轴和切片 纵向压电效应：沿着X轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。 横向压电效应：沿着Y轴对晶片施加力时，在垂直于X轴的表面上产生电荷。 ② 压电陶瓷是多晶体。最常见的有钛酸钡、锆钛铅系列等。压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，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，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，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零，经过人工极化后，保留很强的剩余极化的情况下才能作为压电材料使用 。 ③ 有机压电薄膜随着科技的进步发展也较快。它既具有高分子材料的柔软性又具有压电陶瓷的特性，可以做成较大面积，主要用于微压测量和机器人的触觉。 （ａ）天然石英晶体 （b）石英晶体薄片 （c）压电陶瓷 （d）高分子压电薄膜 各种压电材料的外形图 （3）压电传感器的结构 压电传感器是一种有源传感器，同时又是一个电容器，其结构如图2-17（a）所示。它是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，引出两个电极。实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联。如图2-17（b）、（c）所示，就如同将两个电容器串联和并联一样。串联输出的电压高，自身电容小；并联输出电荷量大，电容量大。串联主要用在以电压为输出量及测量电路输入阻抗很高的场合，而并联由于时间常数大，主要用于以电荷为输出量的场合，适于测量缓变信号。 （a）压电晶片 （b）串联 （c）并联 图2-17 压电晶片及压电传感器结构 （4）压电传感器基本应用电路 根据后续放大电路是电压放大还是电荷放大，可将压电传感器等效为电压源电路和电荷源电路，如图2-18所示，Ca为等效电容。 （a）电荷源等效电路 （b）电压源等效电路 图2-18 压电传感器等效电路 由于压电传感器产生的电量非常小，且内阻极高，就要求测量电路的输入电阻尽量大，这样才能减小测量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。 前置放大器有两个作用：第一是将压电传感器的输出信号放大；第二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的前置放大器也有电荷型与电压型两种型式。 下面简单介绍电荷型放大电路，如图2-19所示。 （a）等效电路 （b）简化电路 图2-19 压电式传感器电荷放大的电路 图2-19（a）中Ra为压电传感器的绝缘电阻，Cc为连接电缆的传输电容，Ri为前置放大器的输入电阻，Ci为前置放大器输入电容；图（b）中为等效综合电容， =Ci+Ca+Cc， 即为等效综合电阻，两图中Rf 、Cf为反馈电阻和电容，分析计算可得输出电压 （2-10） 可见输出电压值主要决定于和Cf，因此要得到必要的测量精度，反馈电容Cf的温度和时间稳定性要好。在实际应用中，考虑到不同的量程，Cf的容量一般做成可调式，范围在100~10000pF之间。 2．几种常见的压电传感器 （1）压电式单向测力传感器 压电式单向测力传感器结构如图2-20所示，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，其外缘壁厚为0.1~0.5mm，当受外力F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型，利用其纵向压电效应。 图2-20 压力式单向测力传感器结构图 （2）压电式加速度传感器 压电式加速度传感器结构如图2-21所示。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。当压电式加速度传感器和被测物体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F是加速度a的函数，即 F=ma （2-11） 式中 F——质量块产生的惯性力； m——质量块的质量； a——加速度。 图2-21 压电式加速度传感器结构图 惯性力F作用于压电元件上而产生电荷q，当传感器选定后，质量块的质量m为常数，则传感器输出电荷q为 q=d11F=d11ma （2-12） 式中 d11——压电系数。 由式（2-12）可见，压电式测力传感器输出电荷q与加速度成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。 （3）压电式传感器在测漏中的应用 如果地面下一均匀的自来水直管道某点O漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用的时间差可计算出LA或LB。 两者时间差为 又L=LA+LB，所以 二、电容式传感器 电容式传感器是一种能将被测物理量转变为传感器的电容量变化，然后再通过一定的电路将此电容的变化转换为电压、电流或频率等信号的输出，从而实现对物理量的测量。电容式传感器具有如下优点：结构简单﹑轻巧﹑易于制造，功率小﹑阻抗高﹑灵敏度高；动态特性好，能在高低温及强辐射的恶劣环境中工作，能进行非接触测量等。当然，电容式传感器也有其不足之处，如负载能力差，寄生电容影响较大，输出为非线性等。随着电子技术的发展，电容式传感器的性能已得到了很大的改善，在位移、压力、液位等物理量测量中得到广泛应用。 1．电容式传感器工作原理 电容传感器的工作原理可从平板电容器加以说明，如图2-23所示。由物理学可知，两平板组成的电容器，如不考虑边缘效应，其电容量可用下式表示 （2-13） 式中 S——两极板相互遮盖的面积； ——两极板间的距离； ——两极板间介质的介电常数。 图2-23 电容传感器工作原理 2．变介电常数型电容传感器 通过改变板间介质（即介电常数），可改变电容量。下面用一实例加以说明：图2-24所示是一密封铅罐中测量液态氮液位高度的原理图。在被测介质中放入两个同心圆柱状极板1和2。若容器内液体介质的介电常数为，液体介质上面气体介质的介电常数为，当容器内液面高度变化时，则电容量将变化（假设液体介质为不导电液体，若导电，则电极板必须绝缘）。 图2-24 电容式液位传感器原理图 电极板间电容C等于气体介质间电容C2与液体介质间电容C1之和，相当于两个电容器并联，即 （2-14） （2-15） （2-16） （2-17） 式（2-17）表明传感器电容量C与高度呈线性关系。 3．变面积型电容传感器 变面积型电容传感器结构原理如图2-25所示。利用图2-25（a）分析，当上部平板向左位移x后，电容量由 变为 用电容变化的增量与移动距离x的比值定义为灵敏度KX，则 平板形差动电容 阶段小结 压电传感器是利用压电材料本身固有的压电效应，将外加的压力转换成电荷变化量，再通过电荷（或电压）放大后，检测其对应的压力。电容式传感器是将外加力转变成传感器电容量的变化，然后再通过一定的电路将此电容的变化转化为电压、电流或频率等信号的输出，从而实现对力的测量。