2.3.2壓電式壓力傳感器一、壓電式測(cè)壓原理及特點(diǎn)

壓電式測(cè)壓是根據(jù)壓電效應(yīng)把被測(cè)壓力變換成電荷信號(hào)，通過(guò)測(cè)量電路檢測(cè)電荷量的大小。

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)象稱壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí),電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象,稱為“正壓電效應(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)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。

在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng),但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究,發(fā)現(xiàn)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。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料,壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換,如圖所示。（1）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)壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)壓電材料可以分為兩大類:壓電晶體和壓電陶瓷。壓電材料的主要特性參數(shù)有:石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。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。壓電陶瓷外形

（三）高分子壓電材料典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。高分子壓電薄膜及拉制縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生正電荷的一面，在橫向壓電效應(yīng)下將產(chǎn)生負(fù)電荷。

石英材料的優(yōu)點(diǎn)：

a）機(jī)械強(qiáng)度大，最大的安全應(yīng)力為98牛頓/米2

b）單位體積電阻率大，大于歐姆·米

c）不易老化

d）抗?jié)穸饶芰?qiáng)測(cè)壓范圍：一般可測(cè)0～1500～1000壓力頻率響應(yīng)：可達(dá)30KHz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(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，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(chǎn)生的電荷只有在無(wú)泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無(wú)限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電路，故適應(yīng)于動(dòng)態(tài)測(cè)量。單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號(hào)的壓電元件粘結(jié)在一起。由于壓電材料的電荷有極性，所以接法有兩種。如圖6-5所示，從作用力看，元件是串聯(lián)的，因而每片收到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。圖（a）是壓電片的負(fù)端粘結(jié)在一起，中間插入的金屬電極成為壓電片的負(fù)極，正電極在兩邊的電極上。從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個(gè)電容并聯(lián)。所以外力作用下正負(fù)極上的電荷量增加了1倍，電容量增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。圖（b）是壓電片的不同極性端接到一起，從電路看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘結(jié)處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。（a）“并聯(lián)”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)并且以電荷作為輸出量的地方，（b）“串聯(lián)”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小。適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方。壓電式傳感器中的壓電元件，按其受力和變形方式不同，大致有厚度變形、長(zhǎng)度變形、體積變形和厚度剪切變形