第五节 压电式传感器

     压电式传感器是一种可逆型换能器(机械能电能),广泛应用于力、压力、加速度测量。也用于超声波发射和接受装置。
     特点:(1)体积小,重量轻(2)精确度高(3)灵敏度高
     一.压电效应
     压电效应—某些物质如石英、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)等,在外力作用下,不仅几何尺寸发生变化,而且内部极化表面有电荷出现形成电场;当外力消失时,材料重新恢复到原来形态,这种现象称为压电效应。
     相反将这些物质置于电场中,几何尺寸也发生变化,此现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。


     二.压电材料

     1.石英应用广泛,具有较好的机械强度和时间及温度稳定性。
     2.压电陶瓷在现代声学和传感技术中普遍应用。制造方便,成本低,压电常数比单晶高。最早的压电陶瓷钛酸钡,其居里点约350℃,压电常数70~590 pC/N
     3.高分子压电薄膜压电特性不太好,但它可以大量生产,具有面积大,柔软不宜破等优点,可用于微压测量和机器人视觉。

     三 压电式传感器及其等效电路
    电容量:压电晶体的两个工作面上进行蒸镀,形成金属膜,构成两个电极。当晶片受力时,两个极板上积聚数量相等,两极性相反的电荷,形成了电场。因此,该传感器即可看作是电荷发生器,它又是一个电容器。其电容量为 
                      
     式中ε—压电材料相对介电常数;石英晶体ε=4.5;压电陶瓷ε=1200 ;ε0—真空中介电常数 ; A—晶片面积

     四.测量电路
     1、前置放大由于压电式传感器的输出电信号很微弱,本身存在内阻,给后接电路带来一定困难。为此先把信号输入到高阻抗的前置放大器,方可进行一般放大、检波、输出指示仪。
     2、前放作用(1)将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出(2)放大信号
     3、前放形式(1)电阻反馈的电压放大器,其输出电压与输入电压(传感器)成正比。
     (2)带电容反馈的电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。
     4、电压放大使用电压放大器中,放大器输入电压由于总电容C 中包括了电缆对地电容Cc 比其它电容都大,故测量中电缆对地电容的变化非常敏感,影响输出和灵敏度。


     五.压电式传感器的应用
     1、应用范围 测力、压力、振动、加速度、超声发射等
     2、测力范围10-3N~104kN,动态范围DR一般为60dB,单方向,或多方向。
     3、传感器形式① 利用膜片式弹性元件 力→膜片→凸台→压电片→电荷量
     ② 利用活塞乘压面受力 力→活塞乘压面→活塞杆→压电片上→电荷量
     4、工作频率范围 数十赫~兆赫,范围宽。
     5、此传感器一般常用纵向效应(测轴向力),横向效应实为干扰和测量误差,一个压电式传感器各横向灵敏度不一样。为减少影响和干扰,应力求最小横向灵敏度与最大横向干扰力方向重合。
     6、校准 环境湿度、温度变化和压电材料本身时效,都会引起压电常
数变化,经常校准是必要的。
     7、工作原理的可逆性 施加电压于压电晶片,压电片便产生伸缩,可
用作“驱动器” 如作振动源、超声发声器、扬声器及精密驱动装置。