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压电式传感器及应用

  压电式传感器简介

压电式传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施,而且输出的直流响应差,需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

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  压电式传感器的原理

压电式传感器由压电传感元件和测量转换电路组成。压电传感元件是一种力敏感元件,凡是能够变换为力的物理量,如应力、压力、振动、加速度等,均可进行测量,由于压电效应的可逆性,压电元件又常用作超声波的发射与接收装置。

压电式传感器是一种典型的自发电型传感器,以电介质的压电效应为基础,外力作用下在电介质表面产生电荷,从而实现非电量测量。

某些电介质在沿一定方向上受到力的作用而变形时,内部会产生极化,同时在其表面有电荷产生,当外力去掉后,表面电荷消失,这种现象称为压电正向效应。

反之,在电介质的极化方向施加交变电场,它会产生机械变形。当去掉外加电场,电介质变形随之消失。这种现象称为压电逆向效应(电致伸缩效应)。

1、压电效应机理分析

具有压电效应的物质很多,如天然的石英晶体、人造的压电陶瓷等,现以石英晶体为例,说明压电效应机理。如图1所示为石英晶体切片,石英的晶体结构为六方晶体系,化学式为SiO2。 坐标轴定义如下:

X轴:两平行柱面内夹角等分线,垂直此轴压电效应最强。称为电轴。

Y轴:垂直于平行柱面,在电场作用下变形最大,称为机械轴。

z轴:无压电效应,中心轴,也称光轴。

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硅离子有4个正电荷,氧离子有2个负电荷,一个硅离子和两个氧离子交替排列。

2、结构特性

(1)沿Y轴方向作用拉力与沿X轴方向作用压力,晶胞结构变形相同,因而产生的电荷极性相同,同样道理,沿X轴方向作用拉力与沿Y轴方向作用压力而产生的电荷极性相同。

(2)在晶体的线性弹性范围内,当沿X轴方向作用压力FX时,在与X轴垂直的平面上产生的电荷量为 Q=d11FX

(3)如果沿Y轴方向作用压力Fy时,电荷仍出现在与X轴相垂直的平面上,其电荷量为 Q=d12 l/δ Fy =-d11 l/δ Fy

l 为石英晶片的长度; δ为晶片的厚度,d12为沿Y轴方向施力的压电常数,由于石英晶体的轴对称,所以d12=-d11。负号表示所产生的电荷极性相反。

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等效电路

在压电元件两个电极表面进行金属蒸镀形成金属膜(两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体),因此,压电元件实质上是一个以压电材料为介质的电容器,其电容量Ca为

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必须指出,上述等效电路及其输出电压,只有在压电元件本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路(即绝缘电阻Ra =RL=∞)条件下才成立。在构成压电式传感器时,总要利用电缆将压电元件接入测量电路。这样,就引入了连接电缆的分布电容Cc,后续测量电路(测量放大器等)的输入电阻Ri和输入电容Ci等形成的负载阻抗影响;加之压电元件并非理想器件,它内部存在泄漏电阻Ra,则由压电元件构成传感器的实际等效电路如图8.2.2所示。

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由此可见,压电式传感器只有在负载电阻无穷大、内部无泄漏时,受力后产生的电压(电荷)才能长期保存下来,若负载电阻不是无穷大,则电路就要以时间常数(Ra+Ri)(Ca+ Cc+ Ci)按指数规律放电,从而造成测量误差。因此利用压电式传感器测量静态量或准静态量时,必须采取措施(如极高阻抗负载等)防止电荷经测量电路的漏失或使之减小到最低程度;而在动态测量时,电荷量可以不断得到补充,故压电式传感器适宜于动态测量。而且,动态测量时,为了保持一定的输出电压和扩展频带的低频段,也必须提高回路的时间常数。常采用提高输入阻抗Ri的方法来增大时间常数,使漏电造成的电压降很小,不致造成显著的测量误差。

在实际应用的压电式传感器中,为提高灵敏度使表面有足够的电荷,往往将两个或两个以上压电晶片组合在一起使用。由于压电晶片是有极性的,因此连接方式有两种:并联连接和串联连接,如图8.2.3所示。

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并联连接:两压电元件的负极集中在中间极板上,正极在上下两边并连接在一起,此时电容量大,输出电荷量大,时间常数大,适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。

串联连接:上极板为正极,下极板为负极,在中间是一个元件的负极与另一元件的正极相连接,此时输出电压大,电容小,时间常数校,适用于要求以电压为输出的场合,并要求测量电路有高的输入阻抗。

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