【传感器技术】第6章 压电式传感器

关注作者了解更多

我的其他CSDN专栏

过程控制系统

工程测试技术

虚拟仪器技术

可编程控制器

工业现场总线

数字图像处理

智能控制

传感器技术

嵌入式系统

复变函数与积分变换

单片机原理

线性代数

大学物理

热工与工程流体力学

数字信号处理

光电融合集成电路技术

电路原理

模拟电子技术

高等数学

概率论与数理统计

数据结构

C语言

模式识别原理

自动控制原理

数字电子技术

关注作者了解更多

资料来源于网络，如有侵权请联系编者

目录

概述

  6.1  压电效应及压电材料

6.1.1  石英晶体

6.1.2  压电陶瓷

6.1.3 高分子材料的压电效应

6.2  压电式传感器的等效电路

6.3  压电式传感器的测量电路

1．电压放大器

2．电荷放大器

6.4  压电式传感器的应用

6.4.1 微振动检测仪

6.4.2  基于PVDF压电膜传感器的脉象仪

习题与思考题

概述

  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。 当某些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、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点，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

   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。

  石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。

    压电材料可以分为三大类：压电晶体和压电陶瓷和高分子材料。1为晶体，2、3为极化处理的多晶体。

  他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。

  压电材料的主要特性参数有： 

  （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）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。

6.1.1  石英晶体

   石英晶体化学式为SiO2（二氧化硅），是单晶体结构 它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。

   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Qx，其大小为

  式中：    

 ——x方向受力的压电系数；  

   ——作用力。

    若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力   ，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy，其大小为： 

 式中：  

   ——y轴方向受力的压电系数，                  

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     离子，“-” 代表氧离子

   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。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，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。

6.1.2  压电陶瓷

  压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。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。

 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，从而使材料得到极化。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。如图6-4。

   外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 出现束缚电荷，会在电极面上吸附来自外界的自由电荷。

    自由电荷与束缚电荷符号相反数值相等，对外不呈现带电特性。

    当压缩陶瓷片（与极化方向平行）时，片内正、负电荷间距变小，极化强度变小，原来吸附的电荷，有一部分释放；相反会有部分电荷，被吸附。

  上式中： 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。但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），它有较高的压电系数和较高的工作温度。

   铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。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。

常用压电材料的性能见书中表6-1。

6.1.3 高分子材料的压电效应

  高分子材料属于有机分子半结晶或结晶的聚合物，其压电效应比较复杂，对此不仅要考虑到晶格中均匀的内应变，还有考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而呈现的压电性。

聚偏氟乙烯

6.2  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，晶体上聚集等量的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:

  式中：

A——压电片的面积；

d——压电片的厚度；  

——空气介电常数（其值为8.86×          /cm）；

  ——压电材料的相对介电常数。

压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。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：

（a）电压源                          （b）电荷源 图6-5 压电传感器的等效电路

    由图可知，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，则电路要以时间常数RLCe按指数规律放电。压电传感器也可以等效为一个电荷源于电容相并联电路，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，放大器的输入电阻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。

6.3  压电式传感器的测量电路

  压电传感器本身的内阻抗很高，输出能量较小。 为了保证压电传感器的测量误差较小，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

若压电元件受正弦力 的作用，则其电压为

  图6-7给出了一个电压放大器的具体电路。它具有很高的输入阻抗(1000MΩ)和很低的输出阻抗(<100Ω)，因此使用该阻抗变换器可将高阻抗的压电传感器与一般放大器匹配。

        BG1为MOS场效应管，做阻抗变换，R3≥100MΩ；     BG2管对输入端形成负反馈，以进一步提高输入阻抗。R4既是BG1的源极接地电阻，也是BG2的负载电阻，R4上的交变电压通过C2反馈到场效应管BG1的输入端，使A点电位提高，保证较高的交流输入阻抗。由BG1构成的输入极，其输入阻抗为:

引进BG2，构成第二级对第一级负反馈后，其输入阻抗为:

式中Au是BG1源极输出器的电压增益，其值接近1。

所以    可以提高到几百到几千兆欧。由BG1所构成的源极输出器，其输出阻抗为

式中    为场效应管的跨导。 电压放大器的应用具有一定的应用限制，压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。不过由于固态电子器件和集成电路的迅速发展，微型电压放大电路可以和传感器做成一体，这样这一问题就可以得到克服，使它具有广泛的应用前景。

2．电荷放大器

电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个带反馈电容Cf的高增益运算放大器构成,电荷放大器可用图6-8所示等效电路，图中K为运算放大器增益，   -K表示放大器的输入与输出反向。

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   为:

式中：      ——放大器输出电压；      ——反馈电容两端电压。 通常K=104～106，因此若满足                                 时上式可表示为

    由式（6-15）可见，电荷放大器的输出电压     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。

    但电荷放大器的价格比电压放大器高，电路较复杂，调整也较困难。

    要注意的是，在实际应用中，电压放大器和电荷放大器都应加过载放大保护电路，否则在传感器过载时，会产生过高的输出电压。

6.4  压电式传感器的应用

   压电元件是一类典型的力敏感元件，可用来测量最终能转换成力的多种物理量。

6.4.1 微振动检测仪

PV-96压电加速度传感器可用来检测微振动，其电路原理图如图6-9所示。该电路由电荷放大器和电压调整放大器组成。

第一级是电荷放大器，其低频响应由反馈电容C1和反馈电阻R1决定。低频截止频率为0.053Hz。RF是过载保护电阻。

第二级为输出调整放大器，调整电位器W1可使其输出约为50mV/gal (1gal=1cm/   )。

在低频检测时，频率愈低，闪变效应的噪声愈大,该电路的噪声电平主要由电荷放大器的噪声决定，为了降低噪声，最有效的方法是减小电荷放大器的反馈电容。但是当时间常数一定时，由于C1和R1呈反比关系，考虑到稳定性，则反馈电容C1的减小应适当。

6.4.2  基于PVDF压电膜传感器的脉象仪

  由于PDVF(聚偏氟乙烯)压电薄膜具有变力响应灵敏度高、柔韧易与制备，可紧贴皮肤等特点，因此可用人手指端大小的压电膜制成可感应人体脉搏压力波变化的脉搏传感器。脉象仪的硬件组成如图6-10所示：

因压电薄膜内阻很高，且脉搏信号微弱，设计其前置电荷放大器有两个作用:

●一是与换能器阻抗匹配，把高阻抗输入变为低阻抗输出；

●二是将微弱电荷转换成电压信号并放大。 为提高测量的精度和灵敏度，前置放大电路采用线性修正的电荷放大电路，可获得较低的下限频率，消除电缆的分布电容对灵敏度的影响，使设计的传感器体积小型化。

在一般的电荷放大器设计中，时间常数要求很大(一般在      以上)，在小型的PVDF脉搏传感器中，很难实现，因为反馈电容不能选得太小

在时间常数不足够大的情况下(小于100s)，电荷放大器的输出电压跟换能器受到的压力成非线性关系，因此需要对电荷放大器进行非线性修正。 由于脉搏信号频率很低，是微弱信号，且干扰信号较多，滤波电路在设计中，非常重要。 运算放大器应尽量选择低噪声、低温漂的器件。根据脉搏信号的特点，以及考虑高频噪声及温度效应噪声的影响，带通滤波器的通带频率宽度应选择在0.5Hz到100Hz之间。

习题与思考题

1．简述正、逆压电效应。 2．压电材料的主要特性参数有哪些？ 3．简述电压放大器和电荷放大器的优缺点。 4．能否用压电传感器测量静态压力？为什么？ 6.如下图所示电荷放大器中Ca=100 PF，Ra=∞，Rf= ∞， Ri= ∞，CF=10 PF。若考虑引线电容Cc 影响，当A0=         时，要求输出信号衰减小于1%，求使用90 PF/m的电缆，其最大允许长度为多少？