一文讀懂壓電式傳感器
【摘自“傳感器技術(shù)”】
壓電式傳感器可以對(duì)各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。它具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。
壓電式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)，其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。 壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)壓電效應(yīng)。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。 壓電材料 石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。應(yīng)用于壓電式傳感器中的壓電元件材料一般有三類(lèi)：壓電晶體、經(jīng)過(guò)極化處理的壓電陶瓷、新型壓電材料。 他們都具有較大的壓電常數(shù)，機(jī)械性能良好，時(shí)間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。 1、壓電晶體 天然形成的石英晶體外形 石英晶體切片及封裝 石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。 石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系。它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個(gè)晶軸：x軸、y軸和z軸。vz軸又稱(chēng)光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：x軸又稱(chēng)電軸，它通過(guò)六面體相對(duì)的兩個(gè)棱線并垂直于光軸：y軸又稱(chēng)為機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對(duì)的晶柱棱面。 石英晶體的壓電效應(yīng)與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，產(chǎn)生極化現(xiàn)象的機(jī)理可說(shuō)明。石英晶體的化學(xué)式為SiO2，它的每個(gè)晶胞中有3個(gè)硅離子和6個(gè)氧離子，一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列（氧離子是成隊(duì)出現(xiàn)的）。沿光軸看去，可以等效地認(rèn)為正六邊形排列結(jié)構(gòu)。 圖中1—正電荷等效中心 2—負(fù)電荷等效中心 （1）在無(wú)外力作用時(shí) （2）當(dāng)晶體沿電軸（x軸）方向受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形 （3）同樣，當(dāng)晶體的機(jī)械軸（y軸）方向受到壓力時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生晶格變形 （4）當(dāng)晶體的光軸（z軸）方向受到受力時(shí)，由于晶格的變形不會(huì)引起正負(fù)電荷中心的分離，所以不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 沿機(jī)械軸方向的力作用在晶體上時(shí)，產(chǎn)生的電荷與晶體切面的幾何尺寸有關(guān)，式中的負(fù)號(hào)說(shuō)明沿機(jī)械軸的壓力引起的電荷極性與沿電軸的壓力引起的電荷極性恰好相反。 2、壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。 在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本沒(méi)變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。 壓電陶瓷的極化 (a) 未極化; (b) 電極化 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。 3、新型壓電材料 壓電薄膜 （1） 壓電半導(dǎo)體材料 壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS（硫化鎘） 、CdTe（碲化鎘 ）等，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測(cè)力和溫度等參數(shù)。 （2） 高分子壓電材料 某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后，具有一定的壓電性能，這類(lèi)薄膜稱(chēng)為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。 4、壓電材料的主要特性參數(shù) 1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。 2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。 3）介電常數(shù)：對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 4） 機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。 6）居里點(diǎn)：壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性的溫度稱(chēng)為居里點(diǎn)。 壓電式傳感器的測(cè)量電路 1、壓電式傳感器的等效電路 將壓電晶片產(chǎn)生電荷的兩個(gè)晶面封裝上金屬電極后，就構(gòu)成了壓電元件。當(dāng)壓電元件受力時(shí)，就會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷，因此，壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電荷源；兩個(gè)電極之間是絕緣的壓電介質(zhì)，因此它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器，其電容值為 Ca = εRε0A/δ v壓電元件等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源，也可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源 壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電元件只有在交變力的作用下，電荷才能源源不斷地產(chǎn)生，可以供給測(cè)量回路以一定的電流，故只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。 2、壓電式傳感器測(cè)量電路 壓電式傳感器的內(nèi)阻很高，要求與高輸入阻抗的前置放大電路配合，與一般的放大、檢波、顯示、記錄電路連接，防止電荷的迅速泄漏而使測(cè)量誤差減少。 壓電式傳感器的前置放大器的作用有兩個(gè)：一是把傳感器的高阻抗輸出變?yōu)榈妥杩馆敵?；二是把傳感器的微弱信?hào)進(jìn)行放大。 根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及等效電路，它的輸出可以是電荷信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)，因此與之配套的前置放大器也有電荷放大器和電壓放大器兩種形式。 由于電壓前置放大器的輸出電壓與電纜電容有關(guān)，故目前多采用電荷放大器。 (1)電荷放大器 v并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器電路 電荷放大器原理圖 電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素的影響可以忽略不計(jì)。 (2)電壓放大器（阻抗變換器） 串聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電壓源，但由于壓電效應(yīng)引起的電容量很小，因而其電壓源等效內(nèi)阻很大，在接成電壓輸出型測(cè)量電路時(shí)，要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且應(yīng)具有很高的輸入阻抗 
