第六章压电传感器.

第六章压电传感器与超声换能器压电式传感器是一种有源（无需外加电源）的（发电型）双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器知识单元与知识点压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念；压电材料的分类及其特性；压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路；压电元件的连接特性；压电式传感器的应用。能力点深入理解压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念；理解压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路；了解压电材料的分类及其特性；会分析压电元件的连接特性；了解压电式传感器的应用。重难点重点：压电式传感器的工作原理、测量电路。难点：压电式传感器的测量电路。学习要求掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的含义；掌握石英晶体具有压电效应特性的分子结构特性、压电陶瓷的压电特性机理；了解压电材料的主要特性参数及其含义、压电材料的选取；掌握压电式传感器的等效电路与测量电路；掌握压电元件并联或串联特性；了解压电式传感器的典型应用。6.1工作原理6.2压电材料6.3等效电路与信号调理电路6.4压电式传感器的应用6.1晶体的压电效应6.1.1晶体压电效应与压电材料某些电介质当其在适当的方向上施加作用力时，内部会产生电极化状态的变化，同时在电介质的两端出现符号相反的、与外力成正比的束缚电荷，这种由外力作用而导致的电介质带电的现象，称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的，即晶体在外电场的作用下要发生形变，这种效应称为反向（逆）压电效应。（电致伸缩效应）压电效应演示晶体的压电效应可用下图来加以说明。图（a）是说明晶体具有压电效应的示意图。一些晶体当不受外力作用时,晶体的正负电荷中心相重合,单位体积中的电矩（即极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体形变时，正负电荷的中心发生分离，这时单位体积的电矩不再等于零，晶体表现出极性。图（b）中，一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。晶体的压电效应(a)具有压电效应的晶体;(b)不具有压电效应的晶体机械能电能正压电效应逆压电效应压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如拉力、压力、加速度等。但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有工作响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。天然形成的石英晶体外形1石英晶体的压电效应（定性分析）从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。ZYXbl石英晶体切片h双面镀银并封装1石英晶体的压电原理（定性分析）天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZX(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系YYZX通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。(b)(a)++---YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0当晶体受到沿X方向的压力（FX0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1↓+P2↑+P3↑)X0在Y、Z方向上的分量为（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX0+++---P1P2P3可见，当晶体受到沿X(电轴，压电效应最显著)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。（P1↓+P2↓+P3↓）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。纵向压电效应（Thicknessexpansion)晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0（拉力）时,晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0（压力）时，则与图（a）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴，此轴上加力变形最显著）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。横向压电效应（Transverseexpansion)（b）（a）石英晶体受力方向与电荷极性关系+++++(a)Fxx-----Fx(b)x+++++-----xFy(c)+++++-----Fy(d)x+++++-----晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴，中性轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。假设从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。当晶片受到沿X轴方向的机械力FX作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内极化强度与力成正比。即ZYXbl石英晶体切片δ石英晶体的压电原理（定量分析）xXXFdQ11d11——压电系数，指石英晶体在X轴方向上受力时的压电系数。受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体d11=2.3×10-12CN-1；（第一个1指产生电荷的方向，第二个1指受力方向）式中QX——垂直于X轴平面上的电荷。式中——电极面间电容。其极间电压为XXXXXXCFdCQU11压电元件极间距离电极面积介电常数SSCra0根据逆压电效应，晶体X轴方向将产生伸缩，即或用应变表示，则式中EX——X轴方向上的电场强度。在X轴方向施加压力（负）时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力（正），则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XXΔδ=d11UXXXEdUd1111如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为+++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX式中δ为晶片厚度；d12——石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数。(1:产生电荷面,2:受力方向)根据石英晶体轴对称条件：d11=－d12，则上式为则其极间电压为YXYFldQ12YXYFldQ11XYXXYXCFldCQU11宽力作用面厚宽长受力面积电极面积电荷面根据逆压电效应，如果给晶片一个垂直于X轴方向的交变电场。晶片在Y轴方向将产生伸缩变形，即或用应变表示XXEdUdll1111XUldl11①当晶片受到x方向的压力作用时，Qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的（d11=-d12,d25=-d14,d26=-2d11）;④晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；⑤无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。总结：YXYFldQ12xXXFdQ11例1.压电元件采用垂直x轴切片的石英晶体，压电常数，相对介电常数，截面积，厚度。当沿着x轴方向受压力时，求该元件两极片间的输出电压。NCd/1031.212115.4r25cmAcmh5.0NFx8.9解：)(1026.28.91031.2111211CFdqxx)(98.31051051085.85.434120pFhACra）（)(7.51098.31026.21211VCqUaxa）（xxxdq11由可得：2压电陶瓷的压电机理压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）.为使其具有压电性，必须在一定温度下极化处理，用强电场使电畴规则排列，呈现出压电性，极化电场去除后，电畴基本保持不变，余下很强的剩余极化。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强