4.7壓電式傳感器

壓電式傳感器是基于某些材料的壓電效應工作的。當沿一定方向對某些材料（如石英晶體）施加外力使之變形時，在一定表面上產生電荷，當外力消失后，電荷隨之消失，這一現象稱為壓電效應。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。壓電材料的壓電效應是可逆的。在壓電材料的極化方向施加一電場，壓電材料將產生機械變形，外加電場消失，機械變形也隨之消失，這一現象稱為逆壓電效應。4.7.1壓電材料的特性圖4-93石英晶體的晶軸及其切片a）石英晶體的晶軸 b）石英晶體切片某些電介質，當沿著一定方向對其施力而使它變形時，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，又重新恢復到不帶電狀態。這種現象稱壓電效應。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機械能轉換為電能的現象，稱為“正壓電效應”。相反，當在電介質極化方向施加電場，這些電介質也會產生幾何變形，這種現象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現機—電能量的相互轉換，如圖1所示。

在自然界中大多數晶體都具有壓電效應，但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究，發現石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。圖1壓電效應可逆性1.1石英晶體石英晶體化學式為SiO2，是單晶體結構。圖2(a)表示了天然結構的石英晶體外形，它是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。其中縱向軸z稱為光軸，經過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時垂直的軸y稱為機械軸。通常把沿電軸x方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”。而沿光軸z方向的力作用時不產生壓電效應。4.7.2常用壓電材料圖2石英晶體(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片圖3石英晶體壓電模型(a)不受力時；(b)x軸方向受力；(c)y軸方向受力d11為壓電系數（C/N）石英d11＝2.1×10-12C/N1.2壓電陶瓷（壓電陶瓷的壓電系數是石英晶體的幾十倍到幾百倍。）壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質,如圖4（a）所示。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。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變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性,如圖4（b）所示。1.3壓電式傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應這個特性，即當有力作用在壓電材料上時，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。由于外力作用而在壓電材料上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態測量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，以供給測量回路一定的電流，故適用于動態測量。壓電陶瓷的部分應用利用壓電陶瓷將外力轉換成電能的特性，可以制造出壓電點火器、移動X光電源、炮彈引爆裝置。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動，并將極其微弱的機械振動轉換成電信號。利用壓電陶瓷的這一特性，可應用于聲納系統、氣象探測、遙測環境保護、家用電器等方面。

在醫學上，醫生將壓電陶瓷探頭放在人體的檢查部位，通電后發出超聲波，傳到人體碰到人體的組織后產生回波，然后把這回波接收下來，顯示在熒光屏上，醫生便能了解人體內部狀況。圖5壓電元件連接方式(a)相同極性端粘結；(b)不同極性端粘結單片壓電元件產生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實際應用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結在一起。圖6壓電元件變形方式(a)厚度變形(TE)(b)長度變形(LE)

(c)體積變形(VE)

(d)面切變形(FS)

(e)剪切變形(TS)4.7.3壓電傳感器的等效電路和測量電路圖4-95 壓電元件的等效電路a）結構圖 b）等效電荷源 c）等效電壓源

壓電元件受力作用時產生電荷，它相當于一個電荷發生器，可將壓電元件看作為一個電容器，見圖4-95a，其電容量為：圖4-96電荷源等效電路a）等效電路 b）簡化等效電路

圖4-97 電壓源等效電路a）等效電路 b）簡化等效電路

圖4-98 壓電傳感器的頻率響應曲線a）直流或靜態被測量 b）低頻被測量 c）高頻被測量

由此可見，壓電傳感器不能測量直流或靜態的物理量，只能測量具有一定頻率的物理量，這說明壓電傳感器的低頻響應較差，而高頻響應相當好，適用于測量高頻物理量。測量電路壓電元件的內阻很高，輸出信號能量微弱，為提高測量精度，必須設置前置放大器。前置放大器的作用是阻抗變換和信號放大。根據等效電路，前置放大器有電壓放大器和電荷放大器兩種。圖4-99壓電元件與電壓放大器連接等效電路圖4-100電荷放大器等效電路壓電式傳感器的測量電路壓電傳感器本身的內阻抗很高，而輸出能量較小，其測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。

1)電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器電路原理及其等效電路圖（a）放大器電路;（b）等效電路

設壓電元件為壓電陶瓷，在交變力作用下，產生的電荷為：放大器輸入電壓為：放大器輸入電壓的幅值為：輸入電壓與作用力的相位差為：傳感器的電壓靈敏度為：若被測信號的頻率足夠高，即，則傳感器的靈敏度為：上式表明，由于電纜電容及放大器輸入電容的存在，使靈敏度減小。如果更換連接電纜，則必須重新校正靈敏度，以保證其測量精度。2)電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路，由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構成。由于運算放大器輸入阻抗極高，放大器輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和Ri并聯電阻。式中：uo——放大器輸出電壓；

ucf——反饋電容兩端電壓。若忽略壓電元件的絕緣電阻和放大器的輸入電阻，根據虛地原理應將折合到放大器輸入端，得：輸出電壓為：只要開環放大倍數足夠高，滿足，則上式可簡化為：式中，“-”表示輸出信號與輸入信號反相。可見，輸出電壓正比于輸入電荷q，傳感器靈敏度與分布電容無關，因此連接電纜可長達數百米，甚至千米，靈敏度卻無明顯下降，顯示了電荷放大器的突出優點。圖4-100電荷放大器等效電路4.7.4壓電傳感器的應用壓電傳感器具有體積小、重量輕、結構簡單、工作可靠、高頻特性好、靈敏度和信躁比高等特點。因此被廣泛應用于電子、通信、航空、運輸、工農業以及醫學等部門，用于測量力以及與力有關的物理量（例如壓力、物位、流量、應力、速度、加速度、扭矩、振動、位移等）。隨著電子技術的發展，微型化、集成化和智能化等