第6章壓電傳感器

1、第6章 壓電傳感器第第6章章 壓電傳感器壓電傳感器 第6章 壓電傳感器概述概述 壓電傳感器是一種典型的有源傳感器（或發(fā)電型傳感器），它的轉(zhuǎn)換原理:晶體的壓電效應(yīng)。 壓電傳感元件是力敏感元件，因而可測(cè)量最終能變?yōu)榱Φ哪切┪锢砹?，如力、壓力、加速度、機(jī)械震蕩等。 第6章 壓電傳感器6.1 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 6.1.1 晶體壓電效應(yīng) 當(dāng)某些晶體沿一定方向伸長(zhǎng)或壓縮時(shí),在其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷(束縛電荷),這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。 壓電效應(yīng)是可逆的,即晶體在外電場(chǎng)的作用下要發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱為反向(逆)壓電效應(yīng)。電能電能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)機(jī)械能機(jī)械能第

2、6章 壓電傳感器 圖6.1 晶體的壓電效應(yīng)(a)具有壓電效應(yīng)的晶體;(b)不具有壓電效應(yīng)的晶體 中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)不受外力作用時(shí),晶體的正負(fù)電荷中心相重合,晶體對(duì)外不呈現(xiàn)極性受力后所有晶體都能產(chǎn)生壓電效應(yīng)嗎?第6章 壓電傳感器以石英晶體（以石英晶體（sio2）為例說(shuō)明壓電效應(yīng)機(jī)理：）為例說(shuō)明壓電效應(yīng)機(jī)理：+-XY不受力時(shí)，正負(fù)電荷不受力時(shí)，正負(fù)電荷中心重合，即對(duì)外不中心重合，即對(duì)外不顯示電性。顯示電性。當(dāng)受到沿當(dāng)受到沿X軸的壓力軸的壓力作用時(shí)，正電荷中心作用時(shí)，正電荷中心向上移動(dòng)，負(fù)電荷中向上移動(dòng)，負(fù)電荷中中心向下移動(dòng)，則對(duì)外中心向下移動(dòng)，則對(duì)外顯示電性顯示電性.+-XYF+-第6章 壓電傳感器+

3、-XY+-XYF-+當(dāng)受到沿Y方向的壓力時(shí)，正電荷中心向上移動(dòng)，負(fù)電荷中心向下移動(dòng)，從而使晶體整體對(duì)外顯示電性考慮如果沿考慮如果沿Z軸方向受力，會(huì)產(chǎn)生什么軸方向受力，會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？現(xiàn)象？Z第6章 壓電傳感器總結(jié)總結(jié):晶體切片上電荷與受力方向的關(guān)系晶體切片上電荷與受力方向的關(guān)系:在在X、Y軸方向力軸方向力作用時(shí)作用時(shí),產(chǎn)生的產(chǎn)生的電荷均垂直于電荷均垂直于X軸軸。第6章 壓電傳感器 假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體晶體切片，晶體切片，使它的晶面分別平行于使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直軸，如圖。并在垂直X軸軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面

4、。方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。 當(dāng)晶片受到沿當(dāng)晶片受到沿X軸方向的軸方向的壓縮應(yīng)力壓縮應(yīng)力XX作用時(shí)，晶片作用時(shí)，晶片在晶體線性彈性范圍內(nèi)，在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極極化強(qiáng)度化強(qiáng)度PXX與應(yīng)力與應(yīng)力XX成正比成正比，即即ZYXbl石英晶體切片t6、1、2 壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算壓電常數(shù)和表面電荷的計(jì)算第6章 壓電傳感器式中式中: XX X軸方向的壓縮應(yīng)力軸方向的壓縮應(yīng)力 ； d11壓電系數(shù)壓電系數(shù)， FXX軸方向施加的壓力軸方向施加的壓力； 當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同，石英當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同，石英晶體晶體d11=2.310-12CN-1； l、b石英晶

5、片的長(zhǎng)度和寬度石英晶片的長(zhǎng)度和寬度。 極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即 式中式中 qX垂直于垂直于X軸平面上的電荷軸平面上的電荷。lbFddPXXXXX1111lbqPXXX第6章 壓電傳感器將上兩式整理，得將上兩式整理，得 式中式中 電極面間電容。電極面間電容。 XXFdq11XXXXXCFdCqU11tlbCrX0其極間電壓為其極間電壓為壓電晶片兩端鍍上金屬電極就構(gòu)成電容。受力沿X軸方向時(shí)，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷數(shù)目與壓電切片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。第6章 壓電傳感器 在同一晶片上，當(dāng)作用力是沿機(jī)械軸的方向時(shí)，在與在同一晶片上，當(dāng)作用力是沿機(jī)械軸的

6、方向時(shí)，在與X軸軸垂直平面上出現(xiàn)的電荷的大小為垂直平面上出現(xiàn)的電荷的大小為( (推導(dǎo)過(guò)程如上推導(dǎo)過(guò)程如上) ) ：YYXYFtldFtblbdq1212 根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：d11=d12，則上式為，則上式為式中式中 t晶片厚度。晶片厚度。 則其極間電壓為則其極間電壓為 YXYFtldq11XYXXYXCFtldCqU11l、t石英晶片的長(zhǎng)度和厚度。石英晶片的長(zhǎng)度和厚度。式中式中 d12石英晶體在石英晶體在Y軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。lbqPtbFddPxxyyyyyyyy;1212第6章 壓電傳感器由上述可知：由上述可知： 無(wú)論是正或逆壓電效

7、應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；定存在逆壓電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 結(jié)論：受力沿Y軸方向時(shí)，壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷數(shù)目不僅與壓電常數(shù)相關(guān)，也與壓電切片的幾何尺寸相關(guān)。第6章 壓電傳感器 6.2壓電材料石英晶體 人造晶體壓電陶瓷 壓電高聚物薄膜壓電復(fù)合材料最早應(yīng)用的壓電材料,已知32中有20類存在壓電效應(yīng).至今仍是用量最大的振蕩

8、器、諧振器和窄帶濾波器等元件的壓電材料。隨著壓電傳感器的大量應(yīng)用,在石英之后研制出了許多人造晶體,如羅息鹽、ADP、KDP、EDT、DKT和LH等壓電單晶體。目前，多用壓電陶瓷。機(jī)理是壓電陶瓷的電致伸縮效應(yīng)。常用的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛(PZT)聚偏二氟乙烯(PVDF)，壓電性強(qiáng)，柔性好，特別是聲阻抗與水和生物組織接近。壓電陶瓷和高聚物復(fù)合而成脆第6章 壓電傳感器6.3 壓電傳感器測(cè)量電路壓電傳感器測(cè)量電路 壓電元件相當(dāng)于一個(gè)電容，受到外力作用時(shí),就會(huì)在電極上產(chǎn)生電荷,因此,可以把壓電式傳感器等效為一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器,等效電路如圖6.6(a)所示。 由于電容上的(開(kāi)路)電壓因此壓

9、電式傳感器也可以等效為一個(gè)電壓源和一個(gè)電容串聯(lián)的電壓源,等效電路如圖6.6(b)所示。PCQU 第6章 壓電傳感器壓電元件的輸出信號(hào)非常微弱，一般要把其輸出信號(hào)通過(guò)電纜送入前置放大器放大，就必須考慮前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci、電纜電容C cable以及傳感器的泄漏電阻（絕緣電阻）RP。在考慮這些因素的情況下，實(shí)際的等效電路如圖所示。由于電容兩極之間的介質(zhì)不是絕對(duì)的絕緣體，它的電阻不是無(wú)限大，而是一個(gè)有限的數(shù)值，一般很精確,如534K，652K電容兩極之間的電阻叫做絕緣電阻，或者叫做漏電電阻，大小是額定工作電壓下的直流電壓與通過(guò)電容的漏電流的比值。 第6章 壓電傳感器圖6.7 測(cè)量電

10、路方塊圖 前置放大器測(cè)量?jī)x表壓電式傳感器信號(hào)放大和阻抗變換.輸入電阻Ri、輸入電容Ci,電纜電容Cc壓電元件的絕緣電阻Rd第6章 壓電傳感器 完整的等效電路(a)電荷等效電路; (b)電壓等效電路 CdRdCcRiCiCdRdCcRiCiUq(a)(b)實(shí)際應(yīng)用中,為提高傳感器靈敏度,壓電片通常用兩片或以上串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成.第6章 壓電傳感器兩個(gè)壓電片的連接方式：兩個(gè)壓電片的連接方式：并聯(lián)：Q/=2Q；U/=U；C/=2C串聯(lián)：Q=Q；U=2U；C=C/2并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適用于測(cè)量慢信號(hào)，且以電荷作為輸出.串聯(lián)輸出電壓大，本身電容小，適用于電壓輸出，并且測(cè)量電路輸入阻

11、抗要求要高.+-+并聯(lián)并聯(lián)+-+-+-串聯(lián)串聯(lián)第6章 壓電傳感器 傳感器可看成電壓發(fā)生器,也可看成電荷發(fā)生器。因此前置放大器也有兩種形式:一種是電壓放大器, 其輸出電壓與輸入電壓成比例;另一種是電荷放大器,其輸出電壓與輸入電荷成比例。 兩種放大器的主要區(qū)別:使用電壓放大器時(shí),測(cè)量系統(tǒng)的輸出對(duì)電纜電容的變化很敏感,連接電纜長(zhǎng)度的變化明顯影響測(cè)量系統(tǒng)的輸出。 使用電荷放大器時(shí),電纜長(zhǎng)度變化對(duì)輸出的影響可以忽略不計(jì),允許使用很長(zhǎng)的電纜,但它與電壓放大器比較,價(jià)格要高得多,電路也比較復(fù)雜,調(diào)整又比較困難。前置放大器如何選澤?第6章 壓電傳感器6.3.2、電荷放大器、電荷放大器 電荷放大器本身并不是放大

12、輸入端的電荷，而是將輸入電荷轉(zhuǎn)換為成比例的電壓輸出，因此實(shí)際它是一個(gè)電荷-電壓變換器，先介紹理想電荷放大器特性：00;)0(CQUCUQPooP-kc0Qp簡(jiǎn)化方法二:理想電荷放大器實(shí)際上是將Qp從傳感器轉(zhuǎn)移到C0上，再用放大器測(cè)量C0兩端電壓。理想電荷放大器方法一：若放大器的放大倍數(shù)為K,則反饋電阻和電容反饋到輸入端的電容和電導(dǎo)均放大(1+K)倍.輸入端電壓為：000;)1 (0CQKCCCQVKVCKCQVPPiOPi；第6章 壓電傳感器實(shí)際電荷放大器等效電路為：簡(jiǎn)化圖兩種方法可以計(jì)算電路輸出Rc、Cc為電纜的等效電阻和電容， Ri、Ci為放大器輸入端的等效電阻和電容，還應(yīng)考慮反饋電阻、電

13、容反饋到輸入端的電阻和電容第6章 壓電傳感器關(guān)。成正比，與電纜電容無(wú)與與所以，電荷放大器輸出；所以，所以一般為由于；足夠大時(shí)，當(dāng)為輸入端等效電容：輸出電壓：QcQckkQUcGRfckCCCGkGGGkckCCCjGkGGGQkjUjCjGQCQUjCjGCCjRCjCjRZCCQUikUUckCCCCkGRRRRffOfffiCPfiCpfiCPfiCPORiRiOfiCPfiCp)1 (1010)1 ()1 ()1 ()1 (111111111,)1 ()1(/1510方法一第6章 壓電傳感器壓電傳感器配用電荷放大器時(shí)，輸出信號(hào)與電纜電容無(wú)關(guān)。.電荷放大器的時(shí)間常數(shù)很大，下限截止頻率低至3

14、*10-6HZ，上限高達(dá)100KHZ，壓電傳感器配用電荷放大器時(shí)低頻效應(yīng)比電壓放大器好得多，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)物理量的測(cè)量。 方法二fpoffpofpiofpiCQVCKCKKCCKQVKCCKQKVVKCCQVRCR；很大時(shí)，當(dāng)；可忽略，并聯(lián)時(shí)，與常大，由于放大器輸入電阻非1111第6章 壓電傳感器6.3.3、電壓放大器、電壓放大器壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路如圖6-13所示。 圖6-13（b）為圖6-13（a）的簡(jiǎn)化電路。在圖6-13（b）中，等效電阻R為 iippR RRRR等效電容C為C= Cc+ Ci 第6章 壓電傳感器假設(shè)給石英晶體壓電元件沿著電軸(x軸)作用的交變力為F=

15、Fmsint， 則壓電元件上產(chǎn)生的電壓值為: 1111msinppppd Fd FtqUCCC1111/1/( /)( /)j1 j()ppCipCCCpCCpR Zd FUUR ZZR ZC ZR ZRd FRCC壓電傳感器輸出等效電壓源值第6章 壓電傳感器輸入電壓與作用力之間的相頻特性為: ci()arctan()2pCCCR 于是前置放大器的輸入電壓Ui的幅頻特性為 11i22ci()1() ()mpd FRURCCC 當(dāng)作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力， 即=0時(shí)，Ui=0，前置放大器的輸入電壓等于零，可見(jiàn)壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。 =C(6-27)第6章 壓電傳感器對(duì)前6-27式進(jìn)行討

16、論，在下列兩種情況下能滿足(RC)21：1、回路時(shí)間常數(shù)R C一定條件下，作用力的頻率越高， 越能滿足(RC)21的條件。2、在作用力的頻率一定的條件下，回路時(shí)常數(shù)越大，越能滿足(RC)21的條件。當(dāng)(RC)21時(shí)，前置放大器的輸入電壓越接近壓電傳感器的實(shí)際輸出電壓。1 1mipcidFUCCC此時(shí)前置放大器的輸入電壓1111msinppppd Fd FtqUCCC而壓電傳感器輸出11i22ci()1() ()mpd FRURCCC（6-29）第6章 壓電傳感器因?yàn)閭鞲衅鞯碾妷红`敏度定義為 1122m1() ()ipUdRKFRCC當(dāng)(RC)211111cippddKCC CC C當(dāng)增大回路電

17、容時(shí)，靈敏度將下降。因此，應(yīng)該用增大R的辦法來(lái)提高回路時(shí)常數(shù)。采用Ri很大的前置放大器就是為此目的。 3、若被測(cè)量是低頻信號(hào)，回路時(shí)間常數(shù)又小，則靈敏度下降，為擴(kuò)大低頻測(cè)量范圍，必須提高回路時(shí)間常數(shù)。第6章 壓電傳感器取(6-27)和 (6-29)之比就是相對(duì)幅頻特性:LiCPLiCPiCPCCCRKKCCCRCCCRK11/1211,122有：；同樣時(shí)間常數(shù)確定時(shí)）（，可求得頻率下限為：取對(duì)高頻信號(hào)）（）（幅值比幅值比幅值比第6章 壓電傳感器總結(jié)： 壓電式傳感器的輸出信號(hào)非常微弱，必須將電信號(hào)放大才能檢測(cè)出來(lái)， 常用的放大器有兩種： 電壓放大器，又稱阻抗變換器，主要作用是把壓電器件的高輸出阻

18、抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。這種放大器的放大倍數(shù)隨頻率下降而下降，所以不能測(cè)量靜態(tài)物理量。 另一種為電荷放大器，實(shí)際上是一個(gè)具有深度電容負(fù)反饋的運(yùn)算放大器，下限截止頻率低于0.000003Hz，可對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)的物理量進(jìn)行有效測(cè)量。 第6章 壓電傳感器第6章 壓電傳感器第6章 壓電傳感器第6章 壓電傳感器第6章 壓電傳感器第6章 壓電傳感器例6-1 某壓電傳感器具有1000pF的電容，電荷靈敏度為10-5C/cm，連接電纜具有300pF的等效電容，用于測(cè)量輸出信號(hào)的示波器具有1M電阻并聯(lián)50pF電容的輸入阻抗，試計(jì)算（1）傳感器自身的靈敏度（電壓靈敏度）；（2）整個(gè)系

19、統(tǒng)的高頻靈敏度；（3）若系統(tǒng)允許的測(cè)量誤差為5%，系統(tǒng)所能測(cè)量的最低頻率；（4）如果系統(tǒng)所能測(cè)量的低頻頻率為10Hz，系統(tǒng)允許的測(cè)量誤差為5%，測(cè)量電路中需要并聯(lián)多大的電容；（5）如果系統(tǒng)并聯(lián)上(4)中的電容，系統(tǒng)的高頻靈敏度是多少？第6章 壓電傳感器（1）由于給定了傳感器的電荷靈敏度，那么根據(jù)U=Q/C，很容易得到K=Kq/C=10000 V/cm（顯然這里的電容C只是傳感器自身的電容）（2）由于系統(tǒng)中除了壓電傳感器自身電容外，還并聯(lián)了電纜電容以及示波器輸入阻抗中的并聯(lián)等效電容，可以參考圖6-11的等效電路，回路中總的等效電容值Ctotal是這三者的并聯(lián)。整個(gè)系統(tǒng)的高頻靈敏度應(yīng)為:mvccc

20、kkdFFdFqkcccdFvkicpqvqicpiv/740050300100010;)(5111111第6章 壓電傳感器(3) 當(dāng)系統(tǒng)幅值誤差為5%時(shí)有=RC=1M1350F=0.00135s，因此可以得到低頻頻率=2250rad/s=358Hz。22121()0.95()1%5111%;95)()()(22）（）（iCPiCPCCCRCCCRkkk(4) 要求低頻頻率為10Hz，即=62.8rad/sec，因此=RCtotal ，%5111%;95)()()(22）（）（iCPiCPCCCRCCCRkkk22121()0.95()1第6章 壓電傳感器解得=0.0484s，得到Ctotal

21、=48400pF為總電容大小，從而可以得出需要在并聯(lián)一個(gè)大小為Cadd=48400-1350=47050pF的電容。(5) 在并聯(lián)了上述電容以后，系統(tǒng)的高頻電壓靈敏度為:K=Kq/C=10000/48400=207V/cm，可見(jiàn)靈敏度急劇下降。這與前面的分析一致，即增大回路電容會(huì)降低靈敏度。第6章 壓電傳感器6.4、壓電傳感器及其應(yīng)用、壓電傳感器及其應(yīng)用 (只講原理）只講原理） 6-14（a）是用于壓力測(cè)量，6-14（b）用于位移測(cè)量，6-14（c）針對(duì)在測(cè)壓力時(shí)容易受到振動(dòng)加速度的影響，采取了補(bǔ)償所示。 補(bǔ)償時(shí)采用兩片壓電片，一片用作測(cè)量，另一片用作補(bǔ)償，兩片壓電片的輸出做差分即可消除加速度

22、所帶來(lái)的影響。 6-14（a）6-14（b）6-14（c）第6章 壓電傳感器6.4.2、加速度傳感器、加速度傳感器以壓縮型壓電式加速度傳感器（圖6-15（a）所示）為例來(lái)說(shuō)明壓其工作原理。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)及壓電片受力分析 工作原理:傳感器感受與試件相同頻率的振動(dòng),質(zhì)量塊變有正比于加速度的交變力作用于晶片上,由于壓電效應(yīng),壓電晶片產(chǎn)生正比于加速度的表面電荷.第6章 壓電傳感器壓電式加速度傳感器的靈敏度：傳感器的輸出電量（電荷或電壓）與輸入量（加速度）的比值。靈敏度有兩種表示法：當(dāng)傳感器與電荷放大器配合使用時(shí)， 用電荷靈敏度Kq表示；與電壓放大器配合使用時(shí)，則用電壓靈敏度KU表示。 其表達(dá)

23、式分別為： qqKaoUUKa因?yàn)閁o=q/Cp 所以電荷靈敏度與電壓靈敏度之間存在以下關(guān)系: Kq=KUCP 第6章 壓電傳感器分析壓電加速度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析壓電加速度傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng) 用具有質(zhì)量為m、彈性系數(shù)為k 、阻尼系數(shù)為c 的彈簧二階系統(tǒng)來(lái)模擬其動(dòng)態(tài)響應(yīng). 設(shè)被測(cè)振動(dòng)體位移x0，質(zhì)量塊相對(duì)位移xm，則質(zhì)量塊與被測(cè)振動(dòng)體的相對(duì)位移為xi，即 xi= xm-x0 對(duì)質(zhì)量塊，根據(jù)牛頓第二定律有:iimkxdtdxcdtxdm22將xi= xm-x0代入上式)()(0022xxkxxdtdcdtxdmmmm見(jiàn)書(shū)本P19lF上F下Ox質(zhì)量塊對(duì)壓電片的作用力，壓電片對(duì)質(zhì)量塊的作用力方向相反第

24、6章 壓電傳感器將上式改寫(xiě)為:20200202)()()(dtxdxxmkdtxxdmcdtxxdmmm并設(shè)輸入為加速度 ，輸出為xm-x0。并引入微分算子 ，將上式變?yōu)?202d xadtdtdD0220012mxxaDDkmc20km為相對(duì)阻尼系數(shù) ,為固有頻率. 將(6-39)式寫(xiě)成頻率傳遞函數(shù): 即令D=j得:2002001()1 ()2 ()mxxjaj變換過(guò)程也可同P19-20,如何由微分方程求出傳遞函數(shù)及幅頻響應(yīng)(6-39)第6章 壓電傳感器其幅頻特性為:2002220011 ()2 ()mxxa相頻特性為:0200180)(1)(2arctan由于質(zhì)量塊與被測(cè)振動(dòng)體相對(duì)位移xm

25、-x0，也就是壓電元件受力后產(chǎn)生的變形量，于是有:F=ky（xm-x0）,當(dāng)力F作用在壓電元件上，則產(chǎn)生的電荷為q=d11F=d11ky（xm-x0） （6-41）第6章 壓電傳感器將此式代入幅頻特性公式(6-41)，可得到壓電加速度傳感器靈敏度與頻率的關(guān)系式202202011)(2)(1ykdaq當(dāng)被測(cè)物體振動(dòng)頻率遠(yuǎn)小于傳感器固有頻率時(shí)，傳感器的相對(duì)靈敏度為常數(shù)，即00傳感器固有頻率很高，頻率范圍寬。但傳感器低頻響應(yīng)與前置放大器有關(guān)，若用電壓放大器，低頻響應(yīng)取決于電路時(shí)間常數(shù)，前置放大器輸入電阻越大。則下線頻率越低。第6章 壓電傳感器6.5 壓電諧振式傳感器壓電諧振式傳感器 原理：當(dāng)在壓電晶

26、體上加一個(gè)激勵(lì)時(shí)，壓電晶體會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，另一方面，晶體的機(jī)械振蕩又會(huì)在晶體表面產(chǎn)生電荷，形成電場(chǎng)，這樣壓電晶體完成了能量從電能到機(jī)械能，再到電能的轉(zhuǎn)換，如果這個(gè)過(guò)程里 能補(bǔ)充振蕩過(guò)程中的能量消耗，變可以形成電能和機(jī)械能的等幅振蕩，并一直持續(xù)下去。壓電諧振式傳感器就是根據(jù)這種逆壓電效應(yīng)原理，將石英諧振器連接到振蕩電路反饋電路中設(shè)計(jì)而成的。圖6-16就是一個(gè)簡(jiǎn)化的壓電晶體振蕩回路。第6章 壓電傳感器壓電晶體振蕩電路石英晶體電路符號(hào)第6章 壓電傳感器 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比

27、壓電陶瓷低能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于得多。因此一般僅用于或要求較高的傳感器中?；蛞筝^高的傳感器中。 因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大大, ,在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。片的切型。 如計(jì)算機(jī)時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生、計(jì)時(shí)器等要選擇溫度穩(wěn)定性很高的石英晶體振蕩器，如：AT切（yxl） 、 BT切（yxl

28、）49。，此類石英晶體頻率對(duì)溫度不敏感。 4135第6章 壓電傳感器測(cè)量原理：利用壓電晶體共振頻率隨被測(cè)物理量的變化而變化測(cè)量被測(cè)信號(hào)。本節(jié)原理：首先要知道傳感器共振頻率，弄清被測(cè)信號(hào)與共振頻率之間的關(guān)系，用電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)。第6章 壓電傳感器6.5.2 石英晶體諧振式溫度傳感器工作原理：利用壓電晶體的共振頻率隨被測(cè)物理量(溫度)變化進(jìn)行測(cè)量的。如果要把石英晶體應(yīng)用于溫度測(cè)量，則希望有較高的溫度系數(shù)。溫度變化與共振頻率的變化關(guān)系可以用下式表示：)()()(1 302000ttttttff,為溫度系數(shù)，隨切割角度變化，f0為基本共振頻率。n選擇適當(dāng)?shù)那懈罘绞绞沟蒙鲜街械?為0，從而使頻率與溫度之

29、間呈線性關(guān)系：,)(1 00ttff如何求基本共振頻率f0?第6章 壓電傳感器 如果要求溫度變化1 。C ，頻率變化1000Hz，那么分辨率0.001 。C ，設(shè)溫度系數(shù)為35.4 10-6/。C，求基本共振頻率? 可根據(jù)溫度每變化1 。C，振蕩頻率變化若干HZ的要求與晶體的頻率溫度系數(shù)的要求確定振蕩電路的基本共振頻率。Hzf6601028104 .351000)(1 00ttff)(000ttfff根據(jù)頻率變化即可求出溫度值.用電路實(shí)現(xiàn)此功能第6章 壓電傳感器熱敏振蕩器熱敏振蕩器基準(zhǔn)振蕩器選擇開(kāi)關(guān)混頻器計(jì)數(shù)器符號(hào)顯示10分頻器門(mén)+-數(shù)字輸出T1T2T1-T210-210-310-4測(cè)量方式分

30、辨能力f(T1)f(T2)2.8MHzfT1T2f0與上述傳感器配套的測(cè)溫儀電路框圖如下與上述傳感器配套的測(cè)溫儀電路框圖如下28MHz 28MHz28MHz+f28MHz差拍輸出溫度每變化1 ,頻率變化100、1000、10000.第6章 壓電傳感器混頻器：應(yīng)用于頻率變換?；祛l器有三個(gè)極，本振、射頻、中頻三端。信號(hào)在混頻器的本振、射頻端口之間傳輸信號(hào)是由中頻電流極性控制。將兩個(gè)頻率相同，幅度一致的射頻信號(hào)加到混頻器的本振、射頻端，中頻端將輸出隨兩信號(hào)相差而變的電信號(hào)。第6章 壓電傳感器 6.3.2 石英晶體諧振式壓力傳感器 1.工作原理 厚度剪切模的石英振子固有共振頻率為6612DCfh頻率與

31、厚度h、密度 、厚度剪切模量C66D均有關(guān)系。當(dāng)石英振子受靜壓力作用時(shí)，共振頻率變化時(shí)，并且共振頻率變化與壓力成正比。這特有的靜壓力-頻移效應(yīng)主要是C66D隨壓力變化產(chǎn)生。第6章 壓電傳感器 2.石英諧振器石英諧振器QPT結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖6.13 石英諧振器QPT的結(jié)構(gòu)石英的薄壁圓柱筒石英諧振器石英端蓋電極電極石英端蓋圓柱筒空腔（5、8）內(nèi)充氦氣注意：為了消除熱應(yīng)力,筒和蓋相對(duì)于結(jié)晶軸的取向一致,以保證所有方向的線膨脹系數(shù)相等,或者振子和圓筒為整體結(jié)構(gòu),由一塊石英晶體加工而成。由上圖第6章 壓電傳感器 石英圓筒能有效地傳遞振子周圍的壓力,并有增壓作用。在傳感器內(nèi)部采用雙層恒溫器,以保證傳感器工作溫度

32、的穩(wěn)定(誤差不大于0.05C)。被測(cè)壓力通過(guò)隔離膜片由高彈性低線脹系數(shù)的液體介質(zhì)傳遞給石英諧振器。這種傳感器可以測(cè)量液體的壓力,量程達(dá)到70MPa。 第6章 壓電傳感器 圖6.14為這種石英諧振式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)。圖中QPT靠薄彈簧片N懸浮于傳壓介質(zhì)油O中。壓力容器由銅套筒C和鋼套筒S構(gòu)成,隔膜D與鋼套筒S連接,E為QPT的電接頭。QPT的溫度由內(nèi)加熱器HI和外加熱器HO控制。當(dāng)傳感器工作時(shí),可使QPT保持在0.05C恒溫以內(nèi),從而使振子達(dá)到零溫度系數(shù)。隔膜D是容器內(nèi)的油和外壓力介質(zhì)的分界層。液體油O(合成磷酸鹽脂溶液)熱膨脹系數(shù)比較低,以便減小因溫度變化引起的液體油壓變化而造成的(溫度)讀數(shù)

33、誤差。端蓋用不銹鋼制造,P為壓力進(jìn)口。 第6章 壓電傳感器圖6.14 石英諧振式壓力傳感器的結(jié)構(gòu) NENDOSSQPTCHIHOPP內(nèi)加熱器外加熱器隔離膜片薄彈簧片液體油第6章 壓電傳感器 與傳感器配套實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量的電路框圖如圖6.15所示。圖6.15 與傳感器配套實(shí)現(xiàn)數(shù)字測(cè)量的電路框圖 第6章 壓電傳感器 6.5.4 石英晶體諧振式質(zhì)量傳感器石英晶體諧振式質(zhì)量傳感器(1) 壓電汞蒸氣探測(cè)器 原理:石英晶片的共振頻率f 因附加到其上的質(zhì)量的增減而變化,即 622.3 10mffA f是共振頻率的變化(Hz),m是涂層吸附的附加質(zhì)量(g),A是涂層面積(cm2)。 由上式可知,如使晶片的涂層具有

34、吸附某種氣體成分的功能,則可通過(guò)測(cè)量共振頻率的變化,得知該氣體成分是多少。 壓電汞蒸氣探測(cè)器是在石英晶片的電極上沉積金膜。金膜能吸收汞生成汞齊,是良好的檢測(cè)汞的涂層材料。 如圖6.16為實(shí)驗(yàn)裝置框圖.空氣中汞濃度在3ppb以下或吸附汞量在246ng以下,頻率變化是線性的，如圖6.17所示。第6章 壓電傳感器圖6.16 實(shí)驗(yàn)裝置的框圖 汞發(fā)生系統(tǒng)壓電探測(cè)器熱交換器恒溫箱振蕩器計(jì)數(shù)器打印機(jī)熱交換器流量計(jì)濕度測(cè)試儀調(diào)節(jié)閥真空系統(tǒng)過(guò)濾器干燥器斷流閥室內(nèi)空氣開(kāi)關(guān)閥第6章 壓電傳感器圖6.17 空氣中汞濃度與頻率變化的關(guān)系 1.02.03.082164246ppb(濃 度 )ng(汞 )0102030f / Hz第6章 壓電傳感器(2). 在電化學(xué)與導(dǎo)電材料方面的應(yīng)用在電化學(xué)與導(dǎo)電材料方面的應(yīng)用 物質(zhì)的電化學(xué)變化過(guò)程總是伴隨著電子、離子或基團(tuán)的變遷，從而引起微小的質(zhì)量變化。以石英微天平(QCM)探頭表面電極作為工作電極，與參比電極和輔助電極組成三電極系統(tǒng)， 即構(gòu)成電化學(xué)石英微天平（EQCM）。通過(guò)監(jiān)測(cè)頻率來(lái)確定探頭電極表面質(zhì)量負(fù)載及表面性狀，從而可破譯電化學(xué)變化的微觀過(guò)程。 EQCM用于化學(xué)合成的研究中，石英探頭表面電極既是傳感面，又是電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，合成過(guò)程引起電極表面微小