傳感器技術及其應用(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 40 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 輸入電壓與作用力之間的相位差 φ為 由式可以看出 ,當作用在壓電元件上的力是靜態力 ,即 ω＝０時 ,Usrm=0,前置放大器的輸入電壓等于 0,這從原理上決定了壓電傳感器不能用于靜態測量 。 ? ])(a r c t a n [2 RCCC icd ???? ???() ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 41 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 2. 電荷放大器 電荷放大器是一個具有反饋電容 Cf的高增益運算放大器。壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路如圖所示。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 42 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 fSC CqU ??? 觀察上式 ,可以發現： 電荷放大器的 Usc與 q成正比；電荷放大器的 Usc與電纜電容 Cc無關。 ? 在電荷放大器的實際電路中 ,考慮到被測物理量的大小 ,以及后級放大器不致因輸入信號太大而飽和 ,采用可變 Cf（選擇范圍一般在 100～ 10000pF之間） ,以便改變前置級輸出的大小。另外 ,考慮到電容負反饋支路在直流工作時相當于開路 ,對電纜噪聲比較敏感 ,放大器零漂較大 ,因此 ,為了提高放大器的工作穩定性 ,一般在反饋電容的兩端并聯一個大電阻 Rf（約 1010～ 1014Ω） ,以提供直流反饋。 sc srU kU??? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 43 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 電荷放大器的時常數 RfCf很大 （ 105 s以上 ） ,下限載止頻率 ? 低達 3 106Hz,上限頻率可高達 100kHz,輸入阻抗大于 1012Ω,輸出阻抗小于 100 Ω。壓電傳感器配用電荷放大器時 ,低頻響應比配用電壓放大器要好得多 ,可以實現對準靜態的物理量進行測量 。 )21(ffLLCRff??? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 44 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 由于壓電傳感器的內阻抗很高 、 輸出電信號很弱 ,一般需將電信號經高輸入阻抗的前置放大器放大再進行傳輸 、 處理和測量 。 前置放大器的主要作用是將壓電傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出 ,也起放大弱信號的作用 。 壓電傳感器的輸出信號經過前置放大器的阻抗變換和放大后 ,就可以采用一般的放大 、 檢波指示或通過功率放大至記錄和數據處理設備 。 前置放大器應距傳感器盡量近 ,常將其與傳感器裝配在一起 ,或集成在一起 。 否則 ,傳感器的輸出信號需由低噪聲電纜輸入到高輸入阻抗的前置放大器 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 45 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ?按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路 ,傳感器可看成電壓發生器 ,也可看成電荷生器。因此前置放大器也有兩種形式 :一種是電壓放大器 ,一般稱作阻抗變換器 ,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。這兩種放大器的主要區別是 :使用電壓放大器時 ,測量系統的輸出對電纜電容的變化很敏感 ,連接電纜長度的變化明顯影響測量系統的輸出。而使用電荷放大器時 ,電纜長度變化的影響差不多可以忽略不計 ,允許使用很長的電纜 ,但它與電壓放大器比較 ,價格要高得多 ,電路也比較復雜 ,調整又比較困難 . ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 46 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 壓電諧振式傳感器 ? 石英晶體諧振式溫度傳感器 ? ? 壓電諧振式傳感器是利用壓電晶體諧振器的共振頻率隨被測物理量變化而變化進行測量的 。 壓電晶體諧振器常采用厚度切變振動模式 AT切或 BT切型的石英晶體制作 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 47 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 石英晶體在 XYZ直角坐標中 ,沿不同方位進行切割 ,可得到不同的幾何切型 ,而不同切型的晶片其壓電常數 、 彈性常數 、 介電常數 、 溫度特性等參數都不一樣 。 石英晶體的切型很多 ,如 xy（ 即 X0176。 ） 切型 ,表示晶體的厚度方向平行于 X軸 ,晶片面與 X軸垂直 ,不繞任何坐標軸旋轉 ,簡稱 X切 ,如圖 (a)所示 。 又如 yx（ 即 Y0176。 ） 切型 ,表示晶片的厚度方向與 Y軸平行 ,晶片面與 Y軸垂直 ,不繞任何坐標軸旋轉 ,簡稱 Y切 ,如圖 6. 9（ b） 所示 ,等等 。 設計傳感器時可根據需要 ,適當選擇切型 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 48 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 圖 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 49 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 壓電陶瓷的特點是： 壓電常數大 ,靈敏度高；制造工藝成熟 ,可通過合理配方和摻雜等人工控制方法來達到所要求的性能；成形工藝性好 ,成本低廉 ,利于廣泛應用 。 壓電陶瓷除具有壓電性外 ,還具有熱釋電性 （ 這一特性在 進行了討論 ） 。 ? 常用的一種壓電陶瓷是鈦酸鋇 ,它的壓電常數 d33要比石英晶體的壓電常數 d11大幾十倍 ,且介電常數和體電阻率也都比較高 。 但其溫度穩定性 、 長時期穩定性以及機械強度都不如石英 ,而且工作溫度最高只有 80 ℃ 左右 。 ? 另一種著名的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛 （ PZT） 壓電陶瓷 ,它是由鈦酸鉛和鋯酸鉛組成的固熔體 。 它具有很高的介電常數 ,工作溫度可達 250℃ ,各項機電參數隨溫度和時間等外界因素的變化較小 。 由于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷在壓電性能和溫度穩定性等方面都遠遠優于鈦酸鋇壓電陶瓷 ,因此 , 它是目前最普遍使用的一種壓電材料 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 50 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 石英晶體的突出優點是性能非常穩定 。 它不需要人工極化處理 ,沒有熱釋電效應 ,介電常數和壓電常數的溫度穩定性好 ,在常溫范圍內 ,這兩個參數幾乎不隨溫度變化 。 在 20～ 200 ℃ 范圍內 ,溫度每升高 1 ℃ ,壓電常數僅減小 %,溫度上升到 400 ℃ , 壓電常數 d11也只減小 5%。 但當溫度超過 500 ℃ 時 ,d11值急劇下降 ,當溫度達到 573℃ (居里點溫度 )時 ,石英晶體就完全失去壓電特性 。 此外 ,它還具有自振頻率高 、 動態響應好 、 機械強度高 、 絕緣性能好 、 遲滯小 、 重復性好 、 線性范圍寬等優點 。 ? 石英晶體的缺點是壓電常數較小 ,因此 ,它大多只在標準傳感器 、 高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中用作壓電元件 ，在一般要求測量用的壓電式傳感器中 ， 則基本上采用壓電陶瓷 。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 51 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 若按不同的用途對壓電性能提出的不同要求 ,在鋯鈦酸鉛材料中再添加一種或兩種如鈮 （ Nb） 、 銻 （ Sb） 、 錫 （ Sn） 、錳 （ Mn） 等微量元素 , PZT 壓電陶瓷 。 ? 在壓電材料中 ,除常用的石英晶體和 PZT壓電陶瓷外 ,人工制造的鈮酸鋰（ LiNbO3）單晶可稱得上是一種性能良好的壓電材料。其壓電常數達 80 1012C／ N,相對介電常數 εr=85。它是單晶但不是單疇結構。為得到單疇結構 ,需作單疇化（即極化）處理 ,使其具有壓電效應。由于它是單晶體 ,所以時間穩定性比壓電陶瓷的好得多。更為突出的是 ,它的居里點溫度高達 1200℃ ,最高工作溫度達 760℃ ,因此 ,用它可制成非冷卻型高溫壓電式傳感器。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 52 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 當電極上加上電激勵信號時 , ? 利用逆壓電效應 ,振子將按其固有共振頻率或其泛音產生機械振動 ,與此同時按照正壓電效應電極板上又將出現交變電荷 ,通過與外電路連接的電極對振子予以適當的能量補充 ,便可構成使電和機械的振蕩等幅地持續下去的振蕩電路。圖 放大器表示法的壓電晶體振蕩電路。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 53 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 新型壓電材料 ? 1. 壓電半導體 ? 壓電半導體材料有硫化鋅 （ ZnS） 、 碲化鎘 （ CdTe ） 、 氧化鋅 （ ZnO ） 、 硫化鎘（ CdS） 、 碲化鋅 （ ZnTe） 和砷化鎵 （ GaAs） 等 。這些材料的顯著特點是：既有壓電特性 ,又有半導體特性 。 因此 ,既可用其壓電特性研制傳感器 ,又可用其半導體特性制作電子器件；也可以兩者結合 ,集敏感元件與電子線路于一體 ,研制新型集成壓電傳感器測試 . ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 54 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 2. 有機高分子壓電材料 ? 某些合成高分子聚合物（如聚氟乙烯（ PVF）、聚偏二氟乙烯（ PVF2）、聚氯乙烯（ PVC）等） ,經延展拉伸和電極化后可形成具有壓電性高分子的壓電材料。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 55 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? 聚偏二氟乙烯（ PVF2）是有機高分子半晶態聚合物 ,結晶度約 50%。 PVF2原料可制成薄膜、厚膜、管狀和粉狀等各種形狀。當聚合物由 150℃ 熔融狀態冷卻時主要生存 α晶型。 α晶型沒有壓電效應。若將 α晶型定向拉抻 ,則得到 β晶型。 β晶型的碳 氟偶極矩在垂直分子鏈取向 ,形成自發極化強度。再經一定的極化處理后 ,晶胞內部的偶極矩進一步旋轉定向 ,形成垂直于薄膜平面的碳 氟偶極矩固定結構。當薄膜受外力作用時 ,剩余極化強度改變 ,薄膜呈現出壓電效應。 ? 單擊此處編輯母版文本樣式 ? 第二級 ? 第三級 ? 第四級 ? 第五級 56 Anhui Science and Technology University 理學院 單擊此處編輯母版標題樣式 ? PVF2壓電薄膜的壓電靈敏度極高 ,比 PZT壓電陶瓷大 17倍 ,且在 105Hz～ 500MHz頻率范圍內具有平坦的響應特性 。 此外 ,它還有機械強度高 、 柔軟 、 不脆 、 耐沖擊 、 易加工成大面積元件和陣列元件 、 價格