應用壓電陶瓷片設計的速度測量裝置

摘 要：利用壓電材料受力后產生的壓電效應可以制成壓電傳感器，將應力（或應變）轉換成電壓（或電荷），再通過放大器進行放大和輸出。本文設計的速度測量裝置就是利用壓電陶瓷的壓電效應將施加的力信號變成電信號而進行速度測量的。

關鍵詞：壓電效應;壓電陶瓷;速度測量

位移或者速度的檢測技術經過多年的發展已經相當成熟，常用的傳感器有電位器式、電感式、磁敏式、光電式等。它們的基本原理都是把不便于定量檢測和處理的位移、速度等物理量轉換為易于定量檢測、便于作信息傳輸與處理的電學量。各類傳感器在結構、分辨率、精度、靈敏度、測量范圍、抗干擾能力等方面都有其特點，在實際設計中應根據需要選擇合適的傳感器。本文是應用壓電陶瓷片設計的一個速度測量裝置。

一、速度測量的裝置簡介

本裝置共由四部分構成：壓電陶瓷片負責采集信號，采集到信號之后信號指示模塊的燈光會閃爍提示，單片機Arduino模塊完成信號處理，STC89C52模塊進行數據處理，最后通過LCD顯示屏將結果輸出。

圖1 裝置結構圖

二、測速原理

1.壓電效應。某些電介質在沿一定方向上受到外力的作用變形時，內部會產生極化現象，同時在它的兩個相對表面上產生極性相反的電荷;當外力去掉后，電介質表面又恢復到不帶電的狀態，這種現象稱為正壓電效應。當作用力方向改變時，產生的極化電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質極化方向上施加電場時，這些電介質會產生機械形變;當去掉外加電場后，電介質的變形隨之消失，這種現象稱為逆壓電效應。

2.壓電陶瓷片。在自然界中大多數晶體具有壓電效應，其中壓電效應明顯且穩定的壓電材料有石英晶體、鈦酸鋇和鋯鈦酸鋇等。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，材料內部的晶粒有許多自發極化的電疇。未加外電場時，電疇在晶體中雜亂分布，壓電陶瓷內極化強度為零，這樣的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質。當在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發生轉動，趨向于外電場方向排列，從而使材料得到極化。外電場越強，電疇極化強度越強。去掉外電場后，電疇的極化方向基本不變，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。利用壓電材料受力后產生的壓電效應可以制成壓電傳感器，將應力（或應變）轉換成電壓（或電荷），再通過放大器進行放大和輸出。壓電陶瓷的壓電系數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。壓電傳感器一般由三部分構成，由將外界力傳遞到壓電陶瓷片的力學系統、壓電陶瓷片和將電荷傳遞到儀表的測量電路3部分構成。從信號變換角度來看，壓電陶瓷片相當于一個電荷發生器，也是傳感器的關鍵部件。

3.測速原理。當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器（又稱為雙壓電晶片元件）施加一個電信號時，就會因彎曲振動發射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產生一個電信號。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。在地面緩沖裝置中安裝壓電陶瓷片，運動物體經過緩沖裝置時，物體作用于地面的壓力傳到壓電陶瓷片的表面。壓電片因受力而產生相應強度的電流。若在距離S內安放兩個地面緩沖裝置，通過計時裝置測出產生兩次電流的間隔時間t。由距離S和測定的時間t，則速度v=S/t由STC89C52處理模塊可以計算出。

三、測速裝置的可行性實驗

1.可行性實驗及測量數據。由于壓電陶瓷片的靈敏度和實驗條件有限，在程序中設置地面信號采集間距為100米，多次讀取啟動信號和結束信號觸發后顯示的時間和速度，計算其通過距離，并與標準距離100m進行比較，從反面證明該裝置測量速度的可行性。數據如下表。

2.數據分析。由測量數據可知，此實驗裝置的測量存在一定誤差，但控制在合理范圍內，具有可行性。誤差產生的原因有以下幾個方面：（1）壓電片的靈敏度需要進一步提高;（2）運動物體不一定是勻速運動，應盡量減小兩次產生電流的時間間隔。

四、結語

壓電陶瓷片易獲得，成本廉，在現實生活中應用廣泛。本實驗裝置除了測量速度，還可以用于計數。本實驗裝置雖然具有可行性，但是要提高實驗結果的精確度，實驗裝置的用材還需進一步完善。

參考文獻：

[1]昌學年，姚毅，等.位移傳感器的發展及研究[J].計量與測試技術，2009（9）：42-44.

[2]董佳麗，相文峰，等.薄膜壓電系數測量方法的研究進展[J].微納電子技術，2014（1）：59-64.

注：本項目得到上海工程技術大學大學生創新項目資金資助（項目編號：cx1421005）。