第07章-压电式传感器

北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制第七章压电式传感器○压电效应○压电材料○压电元件常用结构形式○等效电路○测量电路○压电式传感器应用举例本章内容：测试技术基础北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制正压电效应某些物质沿一定方向受压力或拉力作用而发生改变时，在其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电状态，这种现象称为正压电效应。逆压电效应在压电材料的两个电极面上，加以交流电压，压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。压电效应(piezoelectriceffect)§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制石英晶体压电效应演示逆压电效应机械能正压电效应电能§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制式中x、y、z是与晶轴关连的直角坐标系。zzyyxxPPPP压电系数的轴向表示法用极化强度矢量表示材料的压电效应：§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制xyzxyzzzyyxxzzxyzxyzzzyyxxyyxyzxyzzzyyxxxxddddddPddddddPddddddP363534333231262524232221161514131211dm,n为压电系数，下标m表示产生电荷面的轴向，n表示施加作用力的轴向，在图中，下标1对应于x轴，下标2对应于y轴，而下标3对应于z轴。当材料的受力方向和产生的变形不一样时，压电系数也不同。将极化强度写成轴向应力σ与剪应力τ表示的形式：§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制22,//mNmCdnmmVmmdnm//,主要压电效应：压电效应作用方向图压电系数d的量纲(正压电效应)即每单位力输入时的电荷密度，对于逆压电效应即每单位场强作用下的应变。横向效应纵向效应剪切效应§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制以石英晶体为例，晶片在电轴x-x方向上受到压应力σxx作用,切片在厚度上产生变形并由此引起极化现象，极化强度Pxx与应力σxx成正比，即式中Fx—沿晶轴x方向施加的压力；l—切片长；b—切片宽；d11—压电系数，石英晶体的d11=2.3×10-12CN-1。lbFddPxxxxx1111§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制极化强度Pxx等于切片表面产生的电荷密度，即式中qxx——垂直于晶轴x-x平面上产生的电荷量。可得当石英晶体切片受x向压力作用时，所产生的电荷量qxx与作用力Fx成正比，但与切片的几何尺寸无关。lbqPxxxxxxxFdq11§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制式中d12—石英晶体在y—y轴方向受力时的压电系数；ly，lx—石英切片的长和厚。yxyyxyxyFlldFblbldq1212在横向(y-y)施加作用力yF§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制根据石英晶体轴的对称条件有有当沿着机轴y-y方向施加压力时，产生的电荷量与晶片几何尺寸有关，而该电荷的极性则与沿电轴x-x方向加压力时产生的电荷极性相反(式中负号)。1112ddyxyxyFlldq11§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制压电材料的主要特性参数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电传感器的输出灵敏度；对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限；压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特征；(1)压电常数(2)弹性常数(3)介电常数§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制(4)机电耦合系数在压电效应中，其值等于转换输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根；它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数；(5)电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性；(6)居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。压电材料的主要特性参数§7.1压电效应北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制压电元件材料一般有三类：(1)单晶压电晶体（如上述石英晶体）(2)多晶压电陶瓷(3)新型压电材料---压电半导体---高分子压电材料§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制1.石英晶体一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10-12C/N；莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃(压电系数不随温度而改变)、工作湿度高达100%、稳定性好。§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制x轴：电轴或1轴；y轴：机械轴或2轴；z轴：光轴或3轴。“纵向压电效应”：沿电轴(x轴)方向的力作用下产生电荷“横向压电效应”：沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷在光轴(z轴)方向时则不产生压电效应。§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制天然石英晶体外形1.石英晶体§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率晶振§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制2.压电陶瓷人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的极化（a）未极化陶瓷（b）正在极化陶瓷（c）极化后陶瓷§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制常见压电陶瓷(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英(2)锆钛酸铅Pb(Zr·Ti)O3系压电陶瓷(PZT)压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件变化小，在锆钛酸铅基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。(3)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN)具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温力传感器。§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制压电陶瓷外形§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制3.新型压电材料(1)压电半导体材料压电半导体材料有硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、碲化锌(ZnTe)和砷化镓(GaAs)等。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制(2)高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯(PVF2或PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、改性聚氯乙烯(PVC)等。它是一种柔软压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。3.新型压电材料§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制高分子压电薄膜及拉制§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制压电式脚踏报警器§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）§7.2压电材料的分类及特性北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制(1)压电元件的基本变形(2)双晶片元件§7.3压电元件常用结构形式北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制(1)压电元件的基本变形1、厚度变形（TE方式）2、长度变形（LE方式）3、面剪切变形（FS方式）4、厚度剪切变形（TS方式）5、弯曲变形（BS方式）§7.3压电元件常用结构形式北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制(2)双晶片元件实际使用中，采用单片压电片工作要产生足够表面电荷就需很大作用力，但测量粗糙度和微压差时所提供的力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或两片以上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片有电荷极性，因此连接方式有并联和串联两种形式。并联串联§7.3压电元件常用结构形式北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制两个压电片的联结方式(b)“串联”Q’=Q，U’=2U，C’=C/2而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。(a)“并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C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地方。§7.3压电元件常用结构形式北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制hshsCra0aCQU§7.4压电传感器的等效电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联(b)等效成一个电源U=Q/Ca和一个电容Ca的串联§7.4压电传感器的等效电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制压电式传感器要求负载电阻RL必须有很大的数值，才能保证测量误差较小。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在于高输入阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用：把压电式传感器的微弱信号放大；把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。§7.5压电传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制1、电压放大器Ca：传感器电容Ra：传感器漏电阻Cc：连接电缆等效电容Ri：放大器输入电阻Ci：放大器输入电容iaiaRRRRRicaCCCC§7.5压电传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制前置放大器输入电压RCjRiUi1压电元件的力F=Fmsinωt压电元件的压电系数为d11，产生的电荷为Q=d11·F。tFddtdQimcos11FdjI11RCjRjFdUi11122111icamimCCCRRFdu输入电压的幅值§7.5压电传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制当作用力是静态力(ω=0)时，前置放大器的输入电压为零。原理上决定了压电式传感器不能测量静态物理量。压电式传感器突出优点：高频响应相当好。§7.5压电传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制传感器的低频响应范围如果被测物理量是缓慢变化的动态量，而测量回路的时间常数又不大，则造成传感器灵敏度下降。因此为了扩大传感器的低频响应范围，就必须尽量提高回路的时间常数。但这不能靠增加测量回路的电容量来提高时间常数，因为传感器的电压灵敏度与电容成反比的，切实可行的办法是提高测量回路的电阻。由于传感器本身的绝缘电阻一般都很大，所以测量回路的电阻主要取决于前置放大器的输入电阻。放大器的输入电阻越大，测量回路的时间常数就越大，传感器的低频响应也就越好。§7.5压电传感器的测量电路北京工业大学机电学院胥永刚胥永刚胥永刚制电压放大器应用限制压电式传感器在与电压放大器配合使用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必然使传感器的电压灵敏度降低。电压放大器与电荷放大器相比，电路简单，元件少价格便