医用传感器_6.

第6章压电式传感器等效电路及测量电路1.2第6章压电式传感器压电效应及材料6.16.26.3压电传感器的应用第一节压电效应某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。这种机械能转换为电能的现象,称为“正压电效应”。压电效应压电效应--定义某些电介质（晶体），当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称压电效应。压电效应--分类正压电效应：当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，常把这种机械能转换为电能的现象称正压电效应（或顺压电效应）。逆压电效应：当在电介质极化方向上施加电场，这些电介质也会在产生几何变形，当外加电场撤去时，这些变形也随之消失，这种将电能转化成机械能的现象称逆压电效应（或称电致伸缩效应）。压电效应具有可逆性，利用这一特性可以实现机械能和电能的相互转换。压电效应--特性压电元件机械能电能逆压电效应正压电效应压电晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；新型压电材料：压电半导体(如硫化锌、碲化镉等)高分子压电材料。自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压电效应十分微弱压电材料--分类分类具有压电效应的材料称为压电材料。石英是单晶体，具有规则的几何外形，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。二、石英晶体Z轴(光轴），是晶体的对称轴，用光学方法确定，作为基准轴。X轴(电轴)，经过正六棱柱相对的两个棱线，且垂直于光轴，该轴压电效应最显著。Y轴(机械轴)，垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。石英晶体压电效应机理石英晶体：SiO2代表硅离子Si4++“”代表硅离子2O2–_“”当石英晶体没有受到外力作用时：1230PPP正负电荷中心重合晶体表面不产生电荷，呈电中性。1.当石英晶体在X轴方向上受到压力时：结果：123()0xPPP123()0yPPPA面上呈现负电荷B面上呈现正电荷这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，就是“纵向压电效应”。123()0zPPP2.当石英晶体在Y轴方向上受到压力时：结果：123()0xPPP123()0yPPPA面上呈现正电荷B面上呈现负电荷这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，就是“横向压电效应”。123()0zPPP3.当石英晶体在Z轴方向上受到压力时：123()0xPPP123()0yPPP123()0zPPP正负电荷始终中心重合，所以晶体表面无电荷产生。沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。纵向压电效应横向压电效应表面电荷的计算问题有一石英晶体，其长度为5mm，宽度为4mm，厚度为10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求在纵向压电效应的压缩力作用下产生的电荷量。（d=2.31PC/N）xbzyacxbzyac当沿X轴施加作用力时，晶片产生厚度变形，并在与x轴垂直的平面上产生电荷，且电荷密度与应力成正比：11xxQdF——x轴方向受力的压电系数；11dxbzyac沿y轴施加作用力时，晶片产生长度变形，并在与x轴垂直的平面上产生电荷，且电荷密度与应力成正比：12yyaQdFb——y轴方向受力的压电系数；12d1211dd晶片厚度xxFdq11yyyFbadFbadq1112结论：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，产生的电荷与几何尺寸有关；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；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）与电荷之间皆呈线性关系。压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。压电陶瓷产品压电陶瓷的压电效应压电陶瓷：属于铁电体一类的物质,是人工制造的多晶体压电材料,具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴:分子自发形成的区域,有一定的极化方向,从而存电场①未加电场∴原始的压电陶瓷内呈中性不具有压电性质。在无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。伸长直流电桥剩余伸长剩余极化a)极化前b)极化c)极化后②加电场施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度，即极化方向都整齐地与外电场方向一致，当外电场去掉后电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大。∴压电陶瓷极化后具有压电特性未极化时是非压电体(a)极化处理前剩余极化强度剩余伸长(c)极化处理后直流电场E电场作用下的伸长(b)极化处理中由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0，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。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。所以整体上表现为电中性。－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋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，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，片内的正、负电荷之＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋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－＋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。这种由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。33qdF=d33—压电陶瓷的压电系数F—作用力晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：d33d11、d12∴压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高同样，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。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。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ这种将电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。种类：压电单晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特性要求：①转换性能。要求具有较大压电常数。②机械性能。希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。压电材料一、等效电路压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为式中：ε0为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数；d为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。dACa0第二节等效电路和测量电路当压电晶体在外力作用下，其两个极面上将出现极性相反电量相等的电荷∴压电传感器可以看作电荷发生器,图(a)同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正、负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,图(b)＋＋＋＋――――q电极压电晶体(a)压电传感器的等效原理qCa(b)当两极板聚集异性电荷时,则两极板呈现一定的电压,大小为aaquC＋＋＋＋――――q电极压电晶体(a)压电传感器的等效原理qCa(b)0raAACddeee==A、d-压电片的面积、厚度ε0(=1/3.6π)、εr-真空、压电材料的相对介电常数电容量（a）等效电压源aaquC=一个与电容相串联的电压源（b）等效电荷源Caua（a）电压源aaquC=qCa（b）电荷源一个与电容相并联电荷源电压灵敏度auuKF电荷灵敏度qqKF/uqaKKCquaKKC两者的关系压电传感器的完整等效电路（a）电压源;（b）电荷源UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCe(a)(b)压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，前置放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的绝缘电阻Ra。压电传感器完整的等效电路可表示成图所示。•只有当压电传感器内部信号电荷无漏损或外接电路负载RL无穷大时,压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存,否则电路将以某时间常数按指数规律放电•对于静态、低频测量极为不利,必然带来误差•只有外力不断以较高频率作用,传感器的电荷才能得以补充,压电晶体不适合于静态测量•在实际使用时压电传感器总要与测量仪器或测量电路相连接，需考虑压电传感器的泄漏电阻、连接电缆的等效电容、前置放大器的输入电阻和输入电容等思考：压电晶体不适合于静态测量？二、测量电路压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个用处：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。∵传感器的内阻很大,而输出信号较小,一般不能直接取用∴需要接入高输入阻抗的前置放大器根据压电传感器等效电路可知，传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号∴有相应两种形式（1）电压放大器：也称作阻抗变换器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比（2）电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比（一）电压放大器（1）电路原理图等效电阻//eieieiRRRRRRR×==+等效电容eiCCC=+图6-9电压放大器电路原理及其等效电路图AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)等效电路放大器电路传感器的泄漏电阻Re；连接电缆的等效电容Ce；前置放大器的输入电阻Ri；输入电容Ci电容器上的电压ua=q/Caf=Fmsinωt（Fm为幅值）如果压电元件沿电轴为正弦作用力变化，产生的电荷与电压也按正弦变化，即Um=dFm/Ca压电元件输出电压幅值d—压电系数sinsinmamaaadFtqdfUUtCCCww====AuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)等效电路放大器电路1//1()1()11//aiaaaaaRjRCjRjCUUUdfjRCCjRCCRjCjCUi的幅值Uim为.222)(1)(ieamimCCCRRdFUAuoCiRiCeReCaua(a)CRCauaui(b)等效电路放大器电路（2）放大器输入端的电压Ui分析输入电压和作用力之间相位差为])(arctan[2)(RCCCieaUi的幅值Uim为.222)(1)(ieamimCCCRRdFU当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，