第六章-压电式传感器

1第六章压电式传感器2概述压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的有源传感器。当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。3FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－1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，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。一电压效应与压电材料第一节压电式传感器当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。这种机械能转为电能的现象，称为“顺压电效应”。45反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”。逆压电效应电能机械能正压电效应672压电材料简介压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。8二石英晶体的压电效应ZXY纵向轴Z称为光轴经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴称为电轴与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴天然结构的石英晶体外形是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。9(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片10石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。如图所示是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“＋”代表硅离子Si4+，“－”代表氧离子2O2-。(a)xy(b)+xy++---1、石英晶体产生压电效应原理11当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），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所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。xy+P1P2P3--++-12当晶体受到沿x方向的压力时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x0在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0++++－－－－XY+++---P1P2P3FXFX在x轴的正向出现正电荷，在y、z方向不出现电荷。13晶体受到沿x方向的拉力P1增大，P2、P3减小(P1+P2+P3)x0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向不出现电荷。(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0Y+++--X-P2P3P1+++－－－+－FXFX这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为纵向压电效应。1415++++－－－－XY+++---P1P2P3FYFY晶体受到沿Y方向的拉力与X方向压力相同(P1+P2+P3)x0在x轴的正向出现正电荷，在y、z方向不出现电荷。16Y+++--X-P2P3P1+++－－－+－FYFY晶体受到沿Y方向的压力与X方向拉力相同(P1+P2+P3)x0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向不出现电荷。这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。171819Y+++---XP1P2P3受Z轴力: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。在沿z(即光轴)方向的力Fz作用下，晶体不产生压电效应。2011xxQdF为作用力。11dxF2、纵向压电效应xazybcFXFX++++－－－－－－－－++++XX为x方向受力的压电系数；xQ为产生的电荷213、横向压电效应++++－－－－++++－－－－FYXFYX12yyaQdFb为作用力。12dyF为y方向受力的压电系数yQ为产生的电荷xazybc1211dd因石英轴对称,a：厚度b：宽度22①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；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。结论：23三压电陶瓷的压电特性无外电场作用时总极化强度为零外电场去掉后具剩余极化强度人造多晶体：经极化处理后的人造多晶体施加外电场时电畴自发极化方向与外电场一致24－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极＋＋＋＋＋极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度束缚电荷会吸附自由电荷陶瓷片对外不表现极性25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。Fdq33d33:压电陶瓷压电系数F：作用力加外力＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋极化方向F电畴偏转，极化强度变小，自由电荷释放－－－－－＋＋－－2627逆压电效应：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。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ2829四压电材料①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。③电性能。高电阻率和大介电常数。④环境适应性。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。压电材料具备主要特性：指压电材料开始丧失压电特性的温度。返回301、石英晶体石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其压电系数的温度稳定性相当好。在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。斜率：－0.016％/℃1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20t℃石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性31优点：性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。缺点：价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。用于标准仪器或要求较高的传感器中。切割：各向异性晶体，按不同方向切割，物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。组成：天然和人工培养两种类型。因其物理和化学性质几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。32天然形成的石英晶体外形33人工合成水晶双面镀银并封装压电晶片石英晶体薄片石英晶体切片及封装34⑴钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有较大的压电系数约为石英晶体的50倍。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2、压电陶瓷35⑵锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。3637压电陶瓷外形超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片381.压电晶片的连接方式四压电传感器等效电路由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的。所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路—定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。39在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。40并联连接+++------++++-qq2CC2UU并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。41串联连接+++------+++-+qq2CCUU2串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于测量电压作输出信号和快变化信号的场合。返回422、压电传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集等量的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，则其电容量为:eACdA——压电片的面积；d——压电片的厚度；ε——压电材料介电常数。43＋＋＋＋――――q电极压电晶体qCedAdACre0eCqU静电发生器电容器44压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ce的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ce的并联电路，如图(b)。（a）电压等效电路CeU＝q/Ceq＝UCeCe（b）电荷等效电路45Cc：连接电缆等效电容Ri：放大器输入电阻Ci：放大器输入电容Rd：传感器泄漏电阻URdCcRiCiqRdCcRiCiCe(a)(b)Ce实际等效电路463、压电传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高(大于1010欧姆），输出能量较小，给后续测量电路（放大电路）提出很高要求。为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。47电压放大器iRcCiC～aUiU0UAdReC～aUiU0UARCeC若压电元件材料受正弦力作用，则产生的电压值为sinsinmameedFqUtUtCCtFFmsinFm—作用力的幅值—电压幅值emmCdFU压电系数48可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为sin1()imejRUdFtjRCC～aUiU0UARCeCiRcCiC～aUiU0UAdReC49221mimRdFUUi的幅值Uim为)(arctan2eCCR输入电压与作用力之间的相位差φ为sin1()imejRUdFtjRCC50221imVmURdSF电压灵敏度讨论：灵敏度与被测信号频率无关,这说明压电式传感器的高频响应相当好压电传感器不能测静态量。⑶为了得到好的低频响应特性，⑷灵敏度与连接电缆有关，更换电缆需要重新标定。5152第二节压电式传感器的应用例：压电式压力传感器引线壳体基座压电晶片受压膜片导电片pFdq1153预压弹簧压电元件外壳质量块基座例：压电式加速度传感器F=mamadFdq3333传感器输出电荷与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。54例压电式声传感器铝头螺钉黄铜尾部压电陶瓷圆环当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。55例压电式传感器在测漏中的应用ABO点LALB地面L如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。56体育动态测量中的应用压电式纵跳训练分析装置测量双腿跳的动态力57当使用者将开关往里按时，压缩一个弹簧并释放，有一很大的力冲击压电陶瓷，由于压电效应，在压电陶瓷上产生数千伏高压脉冲，通过电极尖端放电，产生了电火花；将开关旋转，把气阀门打开，电火花就将燃烧气体点燃了。燃气点火器煤气灶电子点火装置示意图58产品压力变送器加速度