工学第7章压电式传感器.pptx
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1、第第7 7章章 压电式传感器压电式传感器 7.l 7.l 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理 7.1.1 7.1.1 压电效应压电效应 7.1.2 7.1.2 压电效应的物理解释压电效应的物理解释 7.2 7.2 压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式 7.3 7.3 压电元件的等效电路及测量电路压电元件的等效电路及测量电路 7.3.1 7.3.1 等效电路等效电路 7.3.2 7.3.2 测量电路测量电路 7.4 7.4 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 7.4.1 7.4.1 工作原理及特性工作原理及特性 7.4.2 7.4.2 压电加速度传感器的典型结构压电加速度传感器的
2、典型结构 7.4.3 7.4.3 压电式加速度传感器的应用压电式加速度传感器的应用 7.5 7.5 压电式压力传感器压电式压力传感器 7.5.1 7.5.1 压电式压力传感器的原理及结构压电式压力传感器的原理及结构 7.5.2 7.5.2 压电式压力传感器的结构及应用压电式压力传感器的结构及应用压压电电式式传传感感器器是是利利用用某某些些物物质质的的压压电电效效应应制制作作的传感器。的传感器。压电效应是可逆的,即有两种压电效应:压电效应是可逆的,即有两种压电效应:正正压压电电效效应应:当当沿沿着着一一定定方方向向对对某某些些电电介介质质施施加加力力而而使使其其变变形形时时,在在一一定定表表面面
3、上上产产生生电电荷荷,当当外外力力去掉后,又重新回到不带电的状态;去掉后,又重新回到不带电的状态;逆逆压压电电效效应应:当当在在介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场时时,这这些些电电介介质质就就在在一一定定的的方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械应应力力;当当外外加加电电场场撤撤去去后后,这这些些变变形形或或应应力力也也随随之之消失。消失。可可见见压压电电式式传传感感器器是是一一种种典典型型的的“双双向向传传感感器器”。7.17.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理7.1.17.1.1压电效应压电效应一、压电效应一、压电效应 压电效应压电效应:某些电介质某些电介质
4、,当沿着一定方向对其施力而使当沿着一定方向对其施力而使它变形时它变形时,其内部就产生极化现象(内部正负电荷中心相其内部就产生极化现象(内部正负电荷中心相对位移)对位移),同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态,其又重新恢复到不带电状态,这种现象称这种现象称压电效应。压电效应。正压电效应正压电效应、逆压电效应(电致伸缩效应)、逆压电效应(电致伸缩效应)压电材料能实现机压电材料能实现机电能量的相互转换。电能量的相互转换。1正压电效应正压电效应电介质在沿一定方向上受到外力电介质在沿一定方向上受到外力 产生变
5、形产生变形 外力去掉,回到不带电状态外力去掉,回到不带电状态 内部产生极化现象,表面产生电荷内部产生极化现象,表面产生电荷 压电效应动画演示压电效应动画演示2.逆压电效应逆压电效应极化方向上施加交变电场极化方向上施加交变电场 产生机械变形产生机械变形 去外加电场,变形消失去外加电场,变形消失 逆压电效应动画演示逆压电效应动画演示 二、压电材料二、压电材料 1.1.石英晶体石英晶体石英晶体是单晶体结构。它是一个正六面体,有右旋石英晶体是单晶体结构。它是一个正六面体,有右旋和左旋晶体之分,外形互为镜像对称。和左旋晶体之分,外形互为镜像对称。石英晶体各个方石英晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系
6、中,它有三个轴。向的特性是不同的。在直角坐标系中,它有三个轴。电轴(电轴(X X轴、轴、1 1):垂直于此轴面上的压电效):垂直于此轴面上的压电效应最强。应最强。机械轴(机械轴(Y Y轴、轴、2 2):在电场沿):在电场沿X X向作用下,向作用下,沿该轴方向的机械变形最大。沿该轴方向的机械变形最大。光轴(光轴(Z Z轴、轴、3 3):垂直于):垂直于XYXY。光线沿该轴通。光线沿该轴通过石英晶体时,无折射,在此方向加外力,过石英晶体时,无折射,在此方向加外力,无压电效应现象无压电效应现象 。通常把沿电轴通常把沿电轴x x 方向的力作用下产生电荷的方向的力作用下产生电荷的压电效应称为压电效应称为
7、“纵向压电效应纵向压电效应”,而把沿而把沿机械轴机械轴y y 方向的作用下产生电荷的压电效方向的作用下产生电荷的压电效应称为应称为“横向压电效应横向压电效应”。而沿光轴而沿光轴z z 方方向受力时不产生压电效应。向受力时不产生压电效应。从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片,如图所示。从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片,如图所示。当晶片在沿当晶片在沿X轴的方向上受到压缩应力轴的方向上受到压缩应力s sxx的作用时,晶片将产生厚度变形,的作用时,晶片将产生厚度变形,并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内,极化强度并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内,极化强度Pxx与
8、应力与应力s sxx 成正比,成正比,即即 而极化强度而极化强度P Pxxxx等于晶片表面的电荷密度,等于晶片表面的电荷密度,即即把把P Pxxxx值代入得值代入得由式看出,当晶片受到由式看出,当晶片受到X X向的压力作用时,向的压力作用时,q qxxxx与作用力与作用力F Fx x成正比,而与晶成正比,而与晶片的几何尺寸无关。片的几何尺寸无关。下标下标m m:产生电荷的面的轴向:产生电荷的面的轴向 下标下标n n:施加作用力的轴向:施加作用力的轴向 石英晶片受压力或拉力时,电荷的极性如图所示石英晶片受压力或拉力时,电荷的极性如图所示在在X轴轴方方向向施施加加压压力力时时,左左旋旋石石英英晶晶
9、体体的的X轴轴正正向向带带正正电电;如如果果作作用用力力Fx改改为为拉拉力力时时,则则电电荷荷仍仍出出现现在在在在垂垂直直于于X轴轴的的平平面面上上,但但极极性性相相反反,如如图图(a)、(b)。如如果果在在同同一一晶晶片片上上作作用用力力是是沿沿着着机机械械轴轴的的方方向向,其其电电荷荷仍仍在与在与 X轴垂直平面上出现,其极性见图轴垂直平面上出现,其极性见图(c)、()、(d),此时电荷的大小为,此时电荷的大小为根据石英晶体轴的对称条件根据石英晶体轴的对称条件负负号号表表示示沿沿Y轴轴的的压压缩缩力力产产生生的的电电荷荷与与沿沿X轴轴施施加加的的压压缩缩力力所所产产生生的的电电荷荷极极性性相
10、相反反。由由式式可可见见,沿沿机机械械轴轴方方向向对对晶晶片片施加作用力时,产生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。施加作用力时,产生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。石英晶体外形图石英晶体外形图压电晶体是一种单晶体压电晶体是一种单晶体例如:例如:石英晶体;石英晶体;酒石酸钾钠酒石酸钾钠等等 天然形成的石英晶体外形图天然形成的石英晶体外形图2 2、压电陶瓷压电陶瓷未加电场未加电场 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时,电畴电畴在晶体中杂乱分布在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度压
11、电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。不具有压电性质。加电场加电场电畴方向发生转动电畴方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得从而使材料得到极化。外电场愈强到极化。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即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后外电场去掉后,电畴的极化方向基本电畴的极化方向基本不变不变,这时的材
12、料具有压电特性。这时的材料具有压电特性。压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时(亦即作压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时(亦即作用力沿极化方向),则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其用力沿极化方向),则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其电荷量电荷量q与力与力F成正比,比例系数为成正比,比例系数为 d33,亦即,亦即式中式中 d33压电陶瓷的纵向压电系数。压电陶瓷的纵向压电系数。下下标标的的意意义义与与石石英英晶晶体体相相同同,但但在在压压电电陶陶瓷瓷中中,通通常常把把它它的的极极化化方方向向定定为为Z轴轴(下下标标3),这这是是它它的的对对称称轴轴,
13、在在垂垂直直于于Z轴轴的的平平面面上上,任任意意选择的正交轴为选择的正交轴为X轴和轴和Y轴,下标为轴,下标为l和和2,所以下标,所以下标 l和和2是可以互易的。是可以互易的。7.1.27.1.2压电效应的物理解释压电效应的物理解释石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。其化学式为石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。其化学式为 SiO2。在一个晶体单元中有三个硅离子。在一个晶体单元中有三个硅离子 Si4+和六个氧离子和六个氧离子 O2-,后者是成,后者是成对的。所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。对的。所以一个硅离子和两个氧离子交替排列。电偶极矩:电荷电偶极矩:电荷q与间距与间距l的乘积
14、。的乘积。P=ql 矢量,方向由负电荷指向正电荷。矢量,方向由负电荷指向正电荷。(1)未受外力作用时)未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三形成三个互成个互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图如图 a所示。所示。P1+P2+P3=0。正负电荷中心重合,呈中性。正负电荷中心重合,呈中性。(2)受受x轴轴方方向向的的压压力力作作用用时时,晶晶体体沿沿x方方向向将将产产生生压压缩缩变变形形,正正负负离离子子的的相相对对位位置置也也随随之之变变动动。如如图图(b)所所示示,此此时时正正负负电电荷荷重重心心不不再再重重合合,
15、电电偶偶极极矩矩在在x方方向向上上的的分分量量由由于于P1的的减减小小和和P2、P3的的增增加加而而不不等等于于零零,即即(P1+P2+P3)0。在在x轴轴的的正正方方向向出出现现负负电电荷荷,电电偶偶极极矩矩在在y方方向向上上的分量仍为零的分量仍为零,不出现电荷。不出现电荷。P=ql x方向方向l减小减小(3)受到沿)受到沿y轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时,晶体的变形如图(晶体的变形如图(c)所示,)所示,P1增增大大,P2、P3 减小。减小。在垂直于在垂直于x轴正方向出现正电荷轴正方向出现正电荷,在在y轴方向上不出轴方向上不出现电荷。现电荷。P=ql y方向方向l减小减小 (4)如果
16、沿如果沿Z轴方向(即与纸面垂直的方向)上施加作用力,轴方向(即与纸面垂直的方向)上施加作用力,因为晶体在因为晶体在X轴方向和轴方向和Y轴方向的变形完全相同,所以,正负电荷中轴方向的变形完全相同,所以,正负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这就表明沿心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这就表明沿Z轴(即光轴)方轴(即光轴)方向加作用力,晶体向加作用力,晶体不会产生压电效应。如果对石英晶体的各个方向同不会产生压电效应。如果对石英晶体的各个方向同时施加相等的作用力时(如液体的压力,热应力等)时施加相等的作用力时(如液体的压力,热应力等),石英晶体也就石英晶体也就保持中性不变,所以石英晶体没有由于
17、体积变形的压电效应。保持中性不变,所以石英晶体没有由于体积变形的压电效应。7.27.2压电元件的常用结构形式压电元件的常用结构形式1 1、并联方式、并联方式特点:输出电荷大,适合测慢速信号,以电荷为输出的场合。特点:输出电荷大,适合测慢速信号,以电荷为输出的场合。2 2、串联方式、串联方式特点:输出电压大,适合以电压为输出,高输入阻抗的场合特点:输出电压大,适合以电压为输出,高输入阻抗的场合7.37.3压电元件的压电元件的等效电路与测量电路等效电路与测量电路7.3.17.3.1等效电路等效电路1、压压电电传传感感器器中中的的压压电电晶晶体体承承受受被被测测机机械械力力的的作作用用时时,在在它它
18、的的两两个个极极板板面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷。显显然然可可以以把把压压电电传传感感器看成一个静电发生器,如图所示,器看成一个静电发生器,如图所示,2、显显然然也也可可以以把把它它视视为为一一个个极极板板上上聚聚集集正正电电荷荷,一一个个极极板板上上聚聚集负电荷,中间为绝缘体的电容,其电容量为集负电荷,中间为绝缘体的电容,其电容量为当两极板聚集异性电荷时,则两极板就呈现出一定的电压,其大当两极板聚集异性电荷时,则两极板就呈现出一定的电压,其大小为小为 压电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联。压压电传感器可以等效为一个电荷源与一个电容并联。压电传感器也
19、可以等效为一个与电容相串联的电压源。电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。由等由等效电路可知,只有传感器内部信号电荷无效电路可知,只有传感器内部信号电荷无“漏损漏损”,外电,外电路负载无穷大时,压电传感器受力后的电压或电荷才能长路负载无穷大时,压电传感器受力后的电压或电荷才能长期保存下来,否则电路将以某时间常数按指数规律放电,期保存下来,否则电路将以某时间常数按指数规律放电,这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利,必然带来这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利,必然带来误差。事实上,传感器内部不可能没有泄漏,外电路负载误差。事实上,传感器内部不可能没有泄漏,外电路负载也不可能无穷大
20、,只有外力以较高频率不断地作用,传感也不可能无穷大,只有外力以较高频率不断地作用,传感器的电荷才能得以补充,从这个意义上讲,压电晶体不适器的电荷才能得以补充,从这个意义上讲,压电晶体不适合于静态测量。合于静态测量。压电式传感器的灵敏度有两种表示方式,它可以压电式传感器的灵敏度有两种表示方式,它可以表示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电表示为单位力的电压或单位力的电荷。前者称为电压灵敏度压灵敏度Ku,后者称为电荷灵敏度,后者称为电荷灵敏度Kq,它们之间可,它们之间可以通过压电元件(或传感器)的电容以通过压电元件(或传感器)的电容Ca联系起联系起来,来,即即7.3.27.3.2测量电路测量电
21、路压电传感器的内阻抗很高,而输出的信号微弱,因此一般不能压电传感器的内阻抗很高,而输出的信号微弱,因此一般不能直接显示和记录。直接显示和记录。测量时,需把压电传感器用电缆接于前置放大器,前置放大器测量时,需把压电传感器用电缆接于前置放大器,前置放大器作用:作用:一是放大传感器输出的微弱信号一是放大传感器输出的微弱信号 二是把它的高输入阻抗变换为低输出阻抗二是把它的高输入阻抗变换为低输出阻抗根据压电元件的工作原理,前置放大器有两种形式:一种是电根据压电元件的工作原理,前置放大器有两种形式:一种是电压放大器,其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正压放大器,其输出电压与输入电压(压电元件的输
22、出电压)成正比,另一种是电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。比,另一种是电荷放大器,其输出电压与输入电荷成正比。1.电压放大器电压放大器 电压放大器的等效电路如图所示,其中等效电阻电压放大器的等效电路如图所示,其中等效电阻R为为 等效电容等效电容 C分别为分别为 如果压电元件受到交变力的作用,如果压电元件受到交变力的作用,f 为为 式中式中 Fm作用力的幅值。作用力的幅值。若压电元件所用压电材料为压电陶瓷,其压电系数为若压电元件所用压电材料为压电陶瓷,其压电系数为d33,则在外,则在外力作用下,压电元件产生的电压均按正弦规律变化,即力作用下,压电元件产生的电压均按正弦规律变化,即 或或 式
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