第6章胡向东传感器与检测技术

第6章压电式传感器主要内容6.1工6.2压电式传感器测量电路6.3压电式传感器的应用6.1.1压电效应压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转变为电能。正压电效应，逆压电效应特点：结构简单、体积小、重量轻；工作频带宽；灵敏度高；信噪比高；工作可靠；测量范围广等。用途：主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。6.1.2压电材料X轴向受力：Y轴向受力：Z轴向受力：无11xxqdf1211yyyaaqdfdfbb石英晶体（单晶体）(c)切割晶片zxyoxzyobzoxacy(a)晶体外形(b)轴定义现象：++++++++-----------xyo++++++++-----------++++++++-----------++++++++-----------yfyfxfxf(a)X轴向受压力(b)X轴向受拉力(d)Y轴向受拉力(c)Y轴向受压力机理：＋　＋　－＋－　－＋　　　＋－　　－　　　＋＋　－　＋O2－Si4+xyo＋　－　　－－+++++++-------+++++++-------(a)不受力时(c)Y轴向受压力时(b)X轴向受压力时xfxfyfyf机理：.正离子负离子＋＋＋－－－.正离子负离子＋＋＋－－－正离子负离子＋＋＋－－－＋－.正离子负离子＋＋＋－－－＋－xyzo(a)未受力作用(b)x方向受压力或y方向受拉力作用(c)y方向受压力或x方向受拉力作用(d)z方向受压力或拉力作用压电陶瓷（多晶体）(a)未极化(b)已极化电场向量域压电机理：压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。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。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，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。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的大小与外力成如下的正比关系：Fdq33式中：d33——压电陶瓷的压电系数；F——作用力。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它的压电系数约为石英的50倍，但居里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列，它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi）O3）。居里点在300℃以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数压电高分子材料高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高分子材料是聚偏氟乙烯，其压电效应可采用类似铁电体的机理来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别排列在薄膜的对应上下两边上，形成微晶偶极矩结构，经过一定时间的外电场和温度联合作用后，晶体内部的偶极矩进一步旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳－氟偶极矩固定结构。正是由于这种固定取向后的极化和外力作用时的剩余极化的变化，引起了压电效应。压电材料的特性参数压电系数弹性系数介电常数机电耦合系数电阻居里点压电材料的选取选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑：转换性能机械性能电性能温度、湿度稳定性好时间稳定性6.2压电式传感器的等效电路CaUCaQ(电荷等效电路)(c)b电压等效电路＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－－－－电极压电材料(a)压电片电荷聚集压电式传感器的测量电路UCaRaCcRiCiQRaCcRiCiCa(c)()a电荷等效电路电压等效电路－KU0UiKU0UiUCRQRfC(d)()b简化的电荷等效电路简化的电压等效电路－KU0UiKU0UiCfRfCf电荷放大器(1)ffCKCiacifoiQUCCCCUKU(1)oacifKQUCCCKC0fCfQUUC电压放大器aiaiRRRRRicCCCsinmQdfdFwtsinsinmmaadFQUwtUwtCC11Z1RCaaRZjwCjwCjwRC＝mRCiUZZU)(11icamamiCCCjwRjwRFdCCjwRjwRFdU2221()mimacidFwRUwRCCCarctan2aciwRCCC1211imimUwwUww1arctan2wwimimUU6.2.3压电元件的连接与变形压电元件的连接(a)同极性粘结(b)不同极性粘结＋　＋　＋－　－　－－　－　－＋　＋　＋－＋粘结剂＋　＋　＋－　－　－＋　＋　＋－　－　－－＋粘结剂单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。图a）从电路上看，这是并联接法，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。压电元件的变形＋－f－＋f－＋ff(a)厚度变形(b)长度变形(c)体积变形(d)厚度剪切变形－＋ffffff6.3压电式传感器的应用6.3.1压电式力传感器石英晶片f电极基座上盖绝缘套6.3.2压电式加速度传感器基座弹簧壳体质量块压电片螺栓输出端