壓電振動傳感器的基本驅動原理以及結構

壓電粉體液位傳感器 TSP系列

擁有高度靈敏性，對于極小的變化也會有所反應

壓電粉體液位傳感器是被稱為粉體或粉末的微粒子狀物質，除了木粉、礦物粉、金屬粉、樹脂粉、纖維填料粉、硅微粒子、陶瓷微粒子以及各類涂層粉體等會使TSP系列傳感器表面發(fā)生損傷或變質的物質，均可以高精度及穩(wěn)定的電壓輸出告知其"有無"*。
*由于檢測面（單晶振子金屬板）中使用了銅合金，因此根據(jù)日本國內的食品衛(wèi)生管理法規(guī)定，檢測面原則上不得用于與食材接觸的用途。
值得注意的一點是其具有高度靈敏性，即使是因粒子間充滿空氣而變得輕盈蓬松的粉末也可精確判斷其"有無"。
其大大超越其他壓電型余量傳感器的高度靈敏性，使其能夠在以微小、輕量粉末為原料的涂料、印刷用油墨、染料、化妝品等制造過程中，為粉體儲料器的余量管理等帶來各種優(yōu)勢。
以下將通過驅動原理、制造技術（結構設計）、驅動方式及電路技術的順序，就對其靈敏性提供支持的TDK技術進行介紹。

驅動原理及結構

壓電振動傳感器的基本驅動原理以及結構與壓電發(fā)音體相同。其采用了將圓板狀壓電陶瓷粘接于薄形金屬板上的單晶結構振子（圖2）。

圖2壓電單晶結構

壓電單晶的驅動原理

壓電陶瓷需要事先以厚度方向進行分極處理，因此如圖3所示，從外部向分極方向附加電壓時，器件整體將向分極方向伸縮，從而使厚度發(fā)生增減。由于其體積不會發(fā)生變化，因此向厚度方向（分極方向）伸長時，分極方向與直角方向（直徑方向）會發(fā)生收縮，相反，如果厚度方向發(fā)生收縮，則直角方向會伸長。

圖3壓電陶瓷的伸縮

然而，由于壓電陶瓷被牢固地粘接在金屬板上，因此如圖4所示，向直徑方向伸縮的力會使單晶振子整體發(fā)生彎曲。為此，在附加交流電壓時，單晶會以與壓電發(fā)音體相同的原理產生振動。

圖4壓電單晶的彎曲運動

在壓電振動型傳感器中的應用

如后所述，在TDK的壓電粉體液位傳感器TSP系列中，處于蓬松云霧狀態(tài)的粉體在接觸單晶振動面時，根據(jù)其程度利用相位特性變化的現(xiàn)象，對粉體的存在進行檢測。
周邊支撐強度不均會對傳感器檢測特性帶來很大影響，因此接合時需使用彈性硅樹脂，并需要將粘接寬度、粘接厚度的均勻性控制在很高的水平（圖5）。

圖5壓電單晶的保持方法以及周邊支撐結構

壓電單晶的保持方法

周邊支撐結構

壓電單晶的驅動方式

如前所述，壓電單晶是在壓電陶瓷兩面設置整面電極，通過從外部向該兩面電極附加交流信號進行驅動的他勵振蕩方式。同時，判別傳感器面有無負荷的信號中利用了單晶的相位特性變化。
壓電單晶的等效電路與阻抗頻率特性如圖6所示。

圖6壓電單晶的等效電路與阻抗頻率特性

等效電路

阻抗頻率特性

Cd為靜電容量、Lo為等效重量、Co為等效剛度的倒數(shù)，Ro為等效機械阻力。頻率特性中阻抗的最小點為等效電路Lo、Co、Ro的串聯(lián)諧振點。
此時，單晶在無負荷情況下的諧振點附近時顯示電感性，而除此以外的部位則顯示電容性。然而，隨著檢測面上附加的負荷增加，其相位特性也會慢慢發(fā)生變化，在附加一定以上的負荷后，所有頻率范圍均會變?yōu)殡娙菪?。因此，通過確認單晶諧振點附近的相位，若其為電感性，則傳感器面無負荷，若其為電容性，則表明附加有符合，即表示可檢測有無粉體(圖7)。

圖7粉體量與相位特性的變化

壓電粉體液位傳感器TSP系列的驅動電路

TSP系列搭載有TDK的定制IC，其中集成了掃頻振蕩電路、波形放大整形電路、相位檢測電路、數(shù)字處理電路等，從而實現(xiàn)了穩(wěn)定的驅動及檢測性能。
該IC以單晶的諧振頻率6kHz附近為中心，對4～8kHz的頻帶進行掃頻，從而判別來自單晶的輸入信號為電感性或是電容性。1次掃頻間將輸出High-Low等級的2個值，若檢測出電感性則為"無負荷"，若未檢測出電感性則為"有負荷"。

審核編輯：彭菁