压电陶瓷传感器灵敏度的研究

收稿日期:2004203216
作者简介:潘玉安(19652),男,安徽人,讲师,主要从事机械制造和机电一体化的研究。

文章编号:100422474(2005)022*******
压电陶瓷传感器灵敏度的研究
潘玉安,曹荣祥,曹良足,范跃农,胡鸿豪
(景德镇陶瓷学院机电系,江西景德镇333001)
摘　要:由于具有压电效应,压电陶瓷能直接将非电量转变为电量,同时它的压电常数可通过调整配方组成或改变陶瓷片的组合方式而得到大幅度提高,从而可有效地提高它的灵敏度,因此,以压电陶瓷作敏感元的传感器越来越受到人们的重视。

简单介绍了压电传感器的基本原理及构成,分别从静态和动态两方面,详细讨论了影响压电传感器灵敏度的因素,在此基础上得出了提高灵敏度的有效方法。

关键词:压电陶瓷;传感器;灵敏度中图分类号:T P 212 文献标识码:A
Research on Sen sisti v ity of P i ezoelectr i c Tran sducers
PAN Y u -an ,CAO Rong -x i a ng ,CAO L i a ng -zu ,FAN Y ue -nong ,HU Hong -hao
(D ep t 1of M echnical &E lectronics Engineering,J ingdezhen Cera m ics Institute,J ingdezhen 333001,China )
Abstract :Ex isting p iezoelectric effect ,p iezoelectric ceram ics can tran slate directly nonelectric param eters in toelec 2
tric param eters ,and its p iezoelectric con stan ts can be greatly raised by adjusting the compo siti on o r varying the connec 2ti on ,w h ich can m ake sen sistivity raised efficien tly ,s o the tran sducersm ade of p iezoelectric ceram ics have beenp layed mo re atten ti on to 1T h is article describles the basic p rinci p le and con stituti on of p iezoelectric tran sducer 1T he facto r 2s w h ich affect the sen sistivity of p iezoelectric tran sducer w ere discussed in static state and dynam ic state res pectly 1T he effective m ethods w h ich can raise the sen sistivity w ere derived from the above discussi on 1
Key words :p iezoelectric ceram ic ;tran sducer ;sen sistivity
传感器是一种广泛用于工业、农业、国防和医学
等领域的具有检测功能的器件,被称作“电五官”[1]
,即通过摸拟人类五官的功能,对各种非电量进行检测。

具有压电效应的压电陶瓷成为制作传感器的理想材料之一。

人们熟悉的压电传感器有压电加速度计、压电陀螺、压电压力计、压电流量计等[2]。

随着科技的进步,诞生了许多新式传感器,同时也提高了已有传感器的性能。

灵敏度是传感器的一个重要指标,以下从静态和动态两方面讨论影响传感器灵敏度的因素。

1　压电陶瓷传感器的基本原理及构成
压电传感器是利用压电陶瓷片的压电效应,将应力(或应变)转换成电压(或电荷),再通过放大器进行放大和输出的装置。

压电陶瓷片是其中的关键部件,从信号变换角度来看,压电陶瓷片相当于一个电荷发生器(q
)。

压电传感器是由将外界力传递到压电陶瓷片的力学系统、压电陶瓷片和将电荷传递到仪表的测量电路三部分构成,如图1所示。

图1　压电传感受器的构成
F ig 11　Con stituti on of a p iezoelectric ceram ic p iece
力学系统是安装和固定压电陶瓷片的支架部分,由该系统直接与外界接触,当受到外力作用时,支架和压电陶瓷片一起产生形变。

压电陶瓷片由形变产生电荷输出。

测量线路则将电荷放大并变换为电压输出。

2　影响压电传感器灵敏度的因素
压电传感器的灵敏度指输出量微小增量与相应输入量微小增量的比值。

比值越大,灵敏度越高。

压
第27卷第2期
压　电　与　声　光
V o l .27N o .22005年4月
P IEZ O EL ECTR I CS &A COU STOO PT I CS
A p r .2005
电传感器的灵敏度与构成它的三部分的灵敏度有关,由于这三部分串联,故而压电传感器的灵敏度由这三部分的灵敏度相乘。

下面分别从静态和动态进行分析。

211　静态分析
静态分析是指在稳态条件下,对传感器的输入与输出的关系进行分析。

输出变量仅是输入变量的函数,即y=f(x),其灵敏度为d y d x。

图1所示,传感器的灵敏度为
Υ0=d S d Q d U
d F d S d Q
(1)
由于在静态条件下S与F,Q与S,及U与Q之间存在简单的线性关系,式(1)可变为
Υ0=C ij d ij A(2)式中　C ij为力学系统的等效弹性柔顺系数;d ij为压电陶瓷片的等效压电常数;A为测量线路的放大系数;下标ij分别表示受力方向和形变方向。

据式(1)可知,想要提高压电传感器的灵敏度,提高其中一个或一个以上因子的值都是有效的。

其中以提高压电陶瓷片的压电常数值的潜力最大,它可通过调整压电陶瓷的配方组成来提高本身的压电常数,也可通过对压电陶瓷片的串并联组合方式提高压电常数,如将压电陶瓷片并联,电荷灵敏度增大一倍。

另外适当选择压电陶瓷片的电学条件也能增加压电常数的值,如压电陶瓷在电边界短路状态比开路状态的等效压电常数要大。

对压电陶瓷来说,振动模式不同,压电常数也不同,切向压电常数(d15)比厚度压电常数(d33)和径向压电常数(d31)都大。

表1为PZT24压电陶瓷的压电常数数据[3]。

表1　PZT24压电陶瓷的压电常数数据
T able1　P iezoelectric con stan t datas of PZT24
p iezoelectric ceram ic
d33 pC・N-1d31 pC・N-1d15 pC・N-1 289-123496
由表1知,d15比d33约大1倍,比d31的绝对值大4倍。

力学系统的弹性柔顺系数是支架和压电陶瓷片合在一起的弹性柔顺系数。

其大小主要与各自的材料特性有关。

因此在选择高压电常数的压电陶瓷片时,应兼顾考虑其弹性柔顺系数的大小。

测量线路的放大系数与放大器的偏置及级数有关。

在合理偏置情况下,增大级数可大幅度地提高放大系数。

但同时也要考虑放大器的噪声和线性度。

212　动态分析
在实际工作中传感器的输入可能是变化较快的连续信号,也可能是脉冲信号,或者周期性输入。

此时传感器的输出特性不再是稳态的,而是出现暂态过渡特性,即输出与输入间的关系将是一个随时间变化的函数。

对传感器的动态特性通常采用幅频特性进行分析。

先讨论压电传感器的力学系统的幅频特性,一般把力学系统归纳为一个单自由度二阶系统[4],通过计算可得幅频关系式为
S(jΞ) A(jΞ) =(1 Ξ20) [(1-
Ξ2 Ξ20)2+4Ν2×Ξ2 Ξ20]1 2(3)式中　Ξ0=sqrt(K m)为系统的固有频率,其中K 为系统的刚度系数,m为系统的质量;Ν为相对阻尼系数。

由式(3)可知,对某一Ν值,Ξ Ξ0在区间[0,2 (1+4Ν2)]时, H(jΞ) 为一常数,大小等于1 Ξ20,即系统的最高频率上限为2Ξ0 (1+4Ν2)。

关于压电陶瓷片的动态分析,为了讨论方便可近似认为它的幅频特性在相当宽的频率范围内是不变的,即
Q(jΞ) S(jΞ) =d eff(4)式中d eff为等效压电常数。

最后讨论测量线路的幅频特性,以电荷放大器为例,图2为其等效电路图。

图2　电荷放大器的等效电路
F ig12　Equivalen t circuit of a charge amp lifier
图中R i为测量线路的输入电阻;A为放大器的放大倍数;R f和C f分别为反馈电阻和反馈电容。

假定电荷量按正弦变化,在放大倍数足够大的情况下,通过计算得出如下幅频关系式
U0(jΞ) Q(jΞ) =ΞR f (1+Ξ2R2f C2f)(5)
当ΞR f C fµ1时,
U0(jΞ) Q(jΞ) =1 C f(6)即Ξµ1 R f C f时,测量线路的幅频特性是平坦的。

综上所述,当外界力的变化频率在1-R f C f至2Ξ0 (1+4Ν2)范围内,压电传感器的幅频特性是平坦的。

　第2期潘玉安等:压电陶瓷传感器灵敏度的研究129　
213　压电陶瓷传感器的灵敏度
由上述讨论知,在动态下,当外界力的频率在1 R f C f至2Ξ0 (1+4Ν2)范围内,压电陶瓷传感器的灵敏度表示为
S(jΞ) F(jΞ) × Q(jΞ) S(jΞ) ×
U0(jΞ) Q(jΞ) =(1 Ξ20)d eff(1 C f)(7)
从式(7)知,在动态下,通过降低力学系统的固有频率,提高压电陶瓷片的压电常数以及减小测量线路的反馈电容等方法均可提高压电传感器的灵敏度。

4　结论
a1根据静态分析,要提高压电传感器的灵敏度,可通过提高其各个组成部分的灵敏度,即提高力学系统的弹性柔顺系数、压电陶瓷片的等效压电常数和测量线路的放大倍数,其中以提高压电陶瓷片的压电常数的潜力最大。

b1根据动态分析,压电传感器的灵敏度要结合外界力的变化频率来考虑。

在幅频特性平坦区间,通过增加力学系统的质量,提高压电陶瓷片的压电常数,以及减小力学系统的刚度系数、测量线路的反馈电容等方法可提高压电传感器的灵敏度。

c1结合静态分析和动态分析得知,提高压电陶瓷片的压电常数能够有效地提高压电传感器的灵敏度,同时也是非常实用的方法之一。

这是因为可以较容易地通过调整压电陶瓷的化学组成的途径来提高压电陶瓷片的压电常数。

而且压电陶瓷片可以通过选择合适的振动模式和串并联组合方式来提高压电陶瓷片的有效压电常数。

参考文献:
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(上接第120页)
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[6]程光明,吴博达,曾平,等.锥形阀压电薄膜泵的初步
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[7]程光明,曾平,吴博达,等.压电薄膜流体泵的初步研
究[J].压电与声光,1998,20(4):2332236.
借助Su m ito mo公司的技术Epson转向SA W开发
日本Seiko Ep s on公司与Sum itomo电子公司达成一项协议,即,Ep s on公司将从Sum itomo电子公司获得金刚石基SAW相关技术的专利、技术及生产设备。

技术转让预计将在2004年3月左右进行。

Ep s on公司希望利用这些技术开发超高频器件。

主要用于R F I D标签的读 写器以及汽车领域的专用小范围通讯。

(刘荣贵　供稿)
　130压　电　与　声　光2005年　。