电材料52压电传感器测量电路53压电式传感器的应用

电52压电传感器测量电路53压电式传感器的应用 第 五 章 压 电 式 传 感 器 5.1 压 电 效 应 及 压 电 材 料 5.2 压 电 传 感 器 测 量 电 路 5.3 压 电 式 传 感 器 的 应 用 第 五 章压 电 式 传 感 器 第 五 章压 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 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。 5.1 压 电 效 应 及 压 电 材 料 5.1 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5 - 1 所示。 图5-1压 电 效 应 可 逆 性在 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: (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、 石英晶体石 英 晶 体 化 学 式 为SiO2, 是 单 晶 体 结 构 。 图5- 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。图5-2石 英 晶 体 若 从 晶 体 上 沿 y 方 向 切 下 一 块 如 图 5 - 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 q d f 5- 1 x 11 x式中: d ? ?x方向受力的压电系数; 11f ? ? 作用力。 x若 在 同 一 切 片 上, 沿 机 械 轴y 方 向 施 加 作 用 力f , 则 仍 在 与 y x轴垂直的平面上产生电荷q , 其大小为 yq d a f /b (5 - 2 ) y 12y 式中: d ? ? y 轴方向受力的压电系数, d -d ; 12 12 11a 、 b??晶体切片长度和厚度。电荷q 和q 的符号由所受力的性质决定。 x y石 英 晶 体 的 上 述 特 性 与 其 内 部 分 子 结 构 有 关 。 图5 - 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 2- “ ” 代表Si4+ 离子, “ ” 代表氧离子O 。 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P 、 P 、 1 2 P 。 如图 5 - 3(a )所示。 3图5-3 石 英 晶 体 压 电 模 型 因 为PqL, 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P +P +P 0, 1 2 3 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 5 - 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 P 的 减 小 和 P 、 P 的 增 加 而 不 等 于 零 , 即 1 2 3 (P +P +P )x 0 。 在x轴的 正 方 向 出 现 正 电 荷, 电 偶 极 矩 在y 1 2 3 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5 - 3 (c ) 所 示, 与 图5 - 3 (b ) 情 况 相 似, P 增 大, P 、P 减 小 。 1 2 3 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 。二、 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 5 - 4 (a )所示。 在 陶 瓷 上 施 加 外 电 场 时, 电 畴 的 极 化 方 向 发 生 转 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。 图5-4 压 电 陶 瓷 的 极 化 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 d F 5- 3 33 式中: d ? ? 压电陶瓷的压电系数; 33F ? ? 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 (BaTiO ) 。 它 是 由 3 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 (BaTiO 和 锆 酸 铅 (PbZrO ) 组 成 的Pb (ZrTi ) 3 3 O3 。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 。 它 由 1 2 铌 镁 酸 铅Pb (Mg ?Nb )O 、 锆 酸 铅PbZrO 和 钛 酸 铅 3 3 3 3 PbTiO 按 不 同 比 例 配 成 的 不 同 性 能 的 压 电 陶 瓷, 具 有 极 高 的 3 压电系数和较高的工作温度, 而且能承受较高的压力。 5.2压 电 式 传 感 器 测 量 电 路 5.2压 电 式 传 感 器 测 量 电 路 一、 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? A r 0 C 5 - 4 a d 式中:A ? ? 压电片的面积; d? ? 压电片的厚度; ε ??压电材料的相对介电常数。 r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5 - 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 qU 5-5 a C a 压 电 传 感 器 也 可 以 等 效 为 一 个 电 荷 源 。 如 图5 - 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C , 放 大 器 的 输 入 电 c R , 输入电容C 以及压电传感器的泄漏电阻R , 这样压电传感器 i i a 在测量系统中的实际等效电路, 如图5 - 6所示。 图5-5压 电 传 感 器 的 等 效 电 路a 电 压 源b 电 荷 源图5-6 压 电 传 感 器 的 实 际 等 效 电 路a 电 压 源 b 电 荷 源 二、 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 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5 - 7 (a ) 、 (b ) 是 电 压 放 大 器 电 路 原 理 图 及 其 等 效 电路。图5-7 电 压 放 大 器 电 路 原 理 及 其 等 效 电 路 图a 放 大 器 电 路 b 输 入 段 简 化 等 效 电 路 在 图5 - 7 (b ) 中, 电 阻R R R /R +R , 电 容C C +C +C , a i a i a c i 而u q/C , 若压电元件受正弦力 f F sin ωt 的作用, 则其电压为 a a m dF m u?sin wtU sin wt a m C a 式 中:U ? ? 压 电 元 件 输 出 电 压 幅 值U dF / C ; d ? ? 压 m m m a 电系数。由此可得放大器输入端电压U ,其复数形式为 i? jwR Udf i 1jwRCC i aU 的幅值为 i U im dF ?R m U5-8 im 2 2 1? R CCC a c i 输入电压和作用力之间相位差为 arctan[ ?CCC R] a c i 2在 理 想 情 况 下, 传 感 器 的Ra 电 阻 值 与 前 置 放 大 器 输 入 电 阻 R 都 为 无 限 大, 即 ω (C +C +C )R , 那 么 由 式 (5 - 8 ) 可 知, i a c i 1 理想情况下输入电压幅值U 为 im dF m 5-10 Uim ccc a c i 式 (5 - 10 ) 表 明 前 置 放 大 器 输 入 电 压Uim 与 频 率 无 关 。 一 般 认 为 ω/ ω 3 时, 就 可 以 认 为Uim 与 ω 无 关, ω 表 示 测 量 电 路 0 0 时间常数之倒数, 即ω 1/ [R (C + C + C )]。 0 a c i 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( ω0 ) 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, 所以压电传感器不能用于静态力测量。 当ω (C + C +C )1 时, 放大器输入电压U 如式(6 - 10 ) R a c i im 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U 也 随 之 变 化 。 因 此, 压 电 传 感 器 与 前 置 放 大 器 之 间 im 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 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R 和R 并 联 电 阻 后, 电 a i 荷放大器可用图5 - 8 所示等效电路,图5-8电 荷 放 大 器 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 qAU ? U o i c 式中: U ? ? 放大器输出电压; o U ??反馈电容两端电压。 Cf C------ 电路总电容 由运算放大器基本特性, 可求出电荷放大器的输出电压 Aq U? 0 CCC1AC a c i f4 6 通 常A10 ~10 , 因 此 若 满 足 (1+A )CCa+ Cc+Ci 时, f式(5 - 12) 可表示为 qUo ? - 5-13 c f 由 式 (5 - 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。 5.3 压 电 式 传 感 器 的 应 用 5.3 压 电 式 传 感 器 的 应 用 一. 压 电 传 感 器 的 应 用 说 明 1. 应用对象由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏 的情况下才能保存,这需要转换电路具有无限大的输入阻 抗,但实际上是不可能的,因此压电式传感器不能用于静 态测量。压电元件在交变力的作用下,电荷可以不断补充, 可以供给转换电路以一定的电流,故只适用于动态测量。2. 压电片的使用 在压电式传感器的使用中,为了提高灵敏度,常常把 几片同的压电元件叠在一起,下面以两片单晶的纵向 压电效应来说明压电元件的这种组合方法。从作用力看, 元件是串接的,每片受到的作用力相同,产生的变形和电 荷数量相同。图5-9 (a)是两个压电片的负极粘在一起, 中间插入的金属电极成为两压电片的负极,正电极在两边 的电极上。从电路上看,这是并联接法,类似两个电容的 并联。 所以,外力作用下正负电极上的电荷量增加一倍,电容量 也增加一倍,输出电压与单片时相同。图5-9 (b)是两 压电片不同极 性端粘在一起,电路上是串联的。两压电片中间粘接处正 负电荷中和,上、下极板的电荷量与单片时相同,总电容 量为单片的一半,输出电压增大一倍。 不难看出压电式传感器具有体积小、重量轻、结构 简单、工作可靠、测量频率范围宽等优点,是应用较广 的力传感器,但不能测量频率太低的被测量,特别是不 能测量静态量,目前多用于测量加速度和动态的力或压 力。 a 并 联 b 串 联 图5-9压 电 片 的 连 接 二、 压电式测力传感器图 5 - 10 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0.1 ~0.5mm, 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 过d11 实 现 力 ? 电 转 换 。 石 英 晶 片 的 尺 寸 为 φ8 ×1 mm 。 该 传 感 器 的 测 力 范 围 为0 ~50 N, 最 小 分 辨 率 为0.01, 固 有 频 率 为50 ~60 kHz, 整 个 传感器重10g 。图5-10 压 力 式 单 向 测 力 传 感 器 结 构 图 三、 压电式加速度传感器图 5 - 11 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 Fm ?a (5 - 14 ) 式中: F ? ? 质量块产生的惯性力; m ? ? 质量块的质量; a??加速度。 图5-11压 电 式 加 速 度 传 感 器 结 构 图 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 为常数, 则传感器输出电荷为 qd Fd ma (5- 15) 11 11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。 四、 压电式金属加工切削力测量图 5 - 12 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。