壓電振動(dòng)傳感器的基本驅(qū)動(dòng)原理以及結(jié)構(gòu)

壓電粉體液位傳感器 TSP系列

擁有高度靈敏性，對(duì)于極小的變化也會(huì)有所反應(yīng)

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(zhì)，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(huì)使TSP系列傳感器表面發(fā)生損傷或變質(zhì)的物質(zhì)，均可以高精度及穩(wěn)定的電壓輸出告知其"有無(wú)"*。
*由于檢測(cè)面（單晶振子金屬板）中使用了銅合金，因此根據(jù)日本國(guó)內(nèi)的食品衛(wèi)生管理法規(guī)定，檢測(cè)面原則上不得用于與食材接觸的用途。
值得注意的一點(diǎn)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(wú)"。
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(guò)程中，為粉體儲(chǔ)料器的余量管理等帶來(lái)各種優(yōu)勢(shì)。
以下將通過(guò)驅(qū)動(dòng)原理、制造技術(shù)（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)）、驅(qū)動(dòng)方式及電路技術(shù)的順序，就對(duì)其靈敏性提供支持的TDK技術(shù)進(jìn)行介紹。

驅(qū)動(dòng)原理及結(jié)構(gòu)

壓電振動(dòng)傳感器的基本驅(qū)動(dòng)原理以及結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)振子（圖2）。

圖2壓電單晶結(jié)構(gòu)

壓電單晶的驅(qū)動(dòng)原理

壓電陶瓷需要事先以厚度方向進(jìn)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(shí)，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(huì)發(fā)生變化，因此向厚度方向（分極方向）伸長(zhǎng)時(shí)，分極方向與直角方向（直徑方向）會(huì)發(fā)生收縮，相反，如果厚度方向發(fā)生收縮，則直角方向會(huì)伸長(zhǎng)。

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(huì)使單晶振子整體發(fā)生彎曲。為此，在附加交流電壓時(shí)，單晶會(huì)以與壓電發(fā)音體相同的原理產(chǎn)生振動(dòng)。

圖4壓電單晶的彎曲運(yùn)動(dòng)

在壓電振動(dòng)型傳感器中的應(yīng)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(dòng)面時(shí)，根據(jù)其程度利用相位特性變化的現(xiàn)象，對(duì)粉體的存在進(jìn)行檢測(cè)。
周邊支撐強(qiáng)度不均會(huì)對(duì)傳感器檢測(cè)特性帶來(lái)很大影響，因此接合時(shí)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(jié)構(gòu)

壓電單晶的保持方法

周邊支撐結(jié)構(gòu)

壓電單晶的驅(qū)動(dòng)方式

如前所述，壓電單晶是在壓電陶瓷兩面設(shè)置整面電極，通過(guò)從外部向該兩面電極附加交流信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的他勵(lì)振蕩方式。同時(shí)，判別傳感器面有無(wú)負(fù)荷的信號(hào)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(jī)械阻力。頻率特性中阻抗的最小點(diǎn)為等效電路Lo、Co、Ro的串聯(lián)諧振點(diǎn)。
此時(shí)，單晶在無(wú)負(fù)荷情況下的諧振點(diǎn)附近時(shí)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(cè)面上附加的負(fù)荷增加，其相位特性也會(huì)慢慢發(fā)生變化，在附加一定以上的負(fù)荷后，所有頻率范圍均會(huì)變?yōu)殡娙菪?。因此，通過(guò)確認(rèn)單晶諧振點(diǎn)附近的相位，若其為電感性，則傳感器面無(wú)負(fù)荷，若其為電容性，則表明附加有符合，即表示可檢測(cè)有無(wú)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(qū)動(dòng)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(cè)電路、數(shù)字處理電路等，從而實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)性能。
該IC以單晶的諧振頻率6kHz附近為中心，對(duì)4～8kHz的頻帶進(jìn)行掃頻，從而判別來(lái)自單晶的輸入信號(hào)為電感性或是電容性。1次掃頻間將輸出High-Low等級(jí)的2個(gè)值，若檢測(cè)出電感性則為"無(wú)負(fù)荷"，若未檢測(cè)出電感性則為"有負(fù)荷"。

審核編輯：彭菁