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压电式传感器

发布日期:2017-12-06 09:38:24 【关闭】
摘要:压电式传感器是以压电效应为工作原理的传感器,它是一种典型的无源传感器,它不需要 外加电源,自身就能把机械能转变为电能。因此,它也是一个换能器,这种传感器的使用范围也 很广。

   压电式传感器是以压电效应为工作原理的传感器,它是一种典型的无源传感器,它不需要外加电源,自身就能把机械能转变为电能。因此,它也是一个换能器,这种传感器的使用范围也很广。

  一、工作原理

  1.压电效应

   压电效应是指某些电介质物质,在沿一定方向对其施力(压力或拉力)而使之变形时,内部会产生极化现象,相应地,在它的某两个表面上产生符号相反的电荷;在机械力去掉后,电介质又重新回到不带电状态的一种物理效应。与压电效应相对应的效应为电致伸缩效应或称为逆压电效应,即在压电材料的极化方向上施加电场,会导致该材料产生机械变形。

   在自然界中,大多数晶体都有压电效应,但大多数晶体的压电效应过于微弱,因此没有实用价值,而真正可供测量使用的不过几十种。随着科学技术的发展,人们用人工制造的方法获得了一些新的压电材料。压电材料可分为三类:① 压电晶体,如石英等;② 经过极化处理的压电陶瓷,如钛酸钡、锆钛酸铅等;③ 高分子压电材料,如聚偏二氟乙烯(PVF2)。这3类虽然都有压电效应,但是产生的机理不一样。下面介绍第一类和第二类压电材料的产生机理,第三类压电材料属新的材料,它的机理在此不作介绍。

   2.压电晶体的压电效应机理

   石英晶体是这类晶体的代表,现以它为例说明这类材料的压电效应机理。

gooxian-石英晶体的理想外形

 

   石英晶体是单晶体,它具有如图1.11所示的规则几何形状。石英晶体有三个晶轴,即x轴、y轴、z轴,这三个晶轴的位置根据结晶学一定的法则确定。x轴称为电轴,y轴称为机械轴,z轴称为光轴。当制作压电式传感器时,不是直接用这种自然晶体作压电感应片,而 是 按图4.12所示切片,即用一规则矩形片来作压电感应片。当该晶片受到x 方向的力Fx 作用时,晶片产生厚度变形,在垂直于x轴表面上产生与力Fx 成正比的电荷qx。即

gooxian-电荷

   电荷的极性和Fx 的方向有关,当Fx 从拉力变为压力时,电荷极性也变为相反。

gooxian-shiy石英晶体切片

   当晶体片受到沿y(即机械轴)方向的力作用时,其电荷仍在与x轴垂直的平面上出现,但极性方向相反,电荷大小为

gooxian-电荷大小

   当晶体切片受到z轴(光轴)方向的力作用时,不产生压电效应。

   当压电式传感器工作时,使晶体切片在x轴或y 轴方向接受压力信号,而在和x轴垂直的两个表面上输出电信号,这便是压电晶体的压电效应。

   3.压电陶瓷的压电效应

   压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它的压电效应机理和压电晶体完全不同。压电陶瓷由许多细微的单晶按任意方向排列组成。由于压电陶瓷单晶中正负离子的特殊排列,也会发生自发极化现象而形成电畴,自发极化的方向全是任意排列的,如图4.13(a)所示。当无外电场作用时,从整体来看,这些电畴的极化效应被互相抵消了。使原始的压电陶瓷呈电中性,不具有压电性质。

  但是,如果在一定温度下对压电陶瓷加强电场,经过2~3h后,压电陶瓷就被极化成具有压电性能了。这是由于极化时,电畴将会向电场方向转动,把这种陶瓷冷却到常温,然后去掉电场,电畴的方向会保持不变,具有很强的剩余极化,导致在陶瓷垂直极化方向的表面层出现等值异号电荷,如图4.13(b)所示。当有外力作用时,改变了电畴正负离子的位置,陶瓷表面的电荷量亦发生变化,其变化量与力的大小成正比,这就是压电陶瓷的压电效应机理。

gooxian-压电陶瓷

   4.压电传感器的等效电路

   当压电元件受力时,会在压电元件的两个表面产生电荷(如图4.14(a)所示),因此可把压电式传感器看做是一个静电荷发生器。另外,也可把压电元件看成是电容,聚集电荷的两个表面看成是极板。所以,压电式传感器可等效成一个电荷源与一个电容相并联的电荷等效电路(如图4.14(b)所示)。当然,根据电容公式,也能把等效电路改为如图4.14(c)所示的电压等效电路,这两个等效电路对线路分析有很大用途。

  

gooxian-压电式传感器的等效电路

   二、压电传感器的选用

   压电传感器能适用于测量那些最终能转换成为力的物理量,如压力、应力、位移,加速度、振动等。由于在压电材料上由外力作用而产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存,即需要测量回路具有无限大的输入阻抗。但在实际线路中,不可能满足此条件,随着时间的推移,电荷将会逐渐泄漏。因此,压电传感器不能用于静态测量。而压电材料在交变力的作用下,电荷可以不断补充,供给测量回路以一定的电流,故压电传感器应在动态测量中使用。

  由于这三类压电材料性能各异,因此当选用压电式传感器时,也应具体考虑这三类材料的特点作出合适的选择。石英晶体是一种性能优良的压电晶体,它突出的优点是性能稳定、温度系数好。此外,还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好,迟滞小、重复性好、线性范围宽等一系列优点。它的不足之处在于压电常数较小。因此,在制作标准传感器、高精度传 感器或使用温度较高的传感器(但不能超过500℃,石英晶体在573℃ 失去压电特性)时常选用石英晶体作压电传感器。

  压电陶瓷的特点和石英晶体正好互补,它的压电常数较大,是石英晶体的几十倍,但稳定性较差,在一般工业测量中得到了广泛的应用,其中,使用较为广泛的是锆钛酸铅压电陶瓷。

  高分子压电材料的优点也较多,如加工容易,可根据要求制成薄膜、厚膜、管状态和粉状等各种形状,有极高的电压灵敏度,比压电陶瓷要大10倍,在10-5 Hz~500MHz频率范围内具有平坦的响应特性。此外,它还具有机械强度高、柔软、不脆、耐冲击、价格便宜等一系列优点。由这种材料制作的压电传感器,目前在超声、水声探测与电声器材等领域应用较多,并已逐步推广到其他领域。

  三、使用注意事项

 1.温度和湿度的影响

 温度对压电式传感器的测量误差有较大影响,特别是对压电陶瓷传感器更为明显。湿度将使传感器的绝缘电阻减小,使传感器的低频响应变坏。因此,使用压电式传感器时,要采取措施,减小和防止这两个因素对传感器的影响。

 2.减小电缆噪声和接地回路噪声

因为压电式传感器发送出的电信号较微弱,所以必须考虑信号通道中各种噪声的影响,特别是电缆噪声和接地回路噪声。

 

 

  

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