压电式传感器1汇总.pptx
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1、第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器5.1 5.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料15.2 5.2 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路5.3 5.3 压电式传感器的压电式传感器的测量电路测量电路35.4 5.4 压电压电式传感器式传感器的的应用应用42 概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材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。料的压电效应,是典型的有源传感器。u当某些材料受力作用而变形时,其表面会有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。电荷产生,从而实现非电量测量。u压电式传感器具有体积小,重量轻,工作
2、频压电式传感器具有体积小,重量轻,工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点,因此在各种动态力、特点,因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。某些物质沿某一方向受到外力作用时,会产生变形,某些物质沿某一方向受到外力作用时,会产生变形,同时其内部产生极化现象,此时在这种材料的两个表同时其内部产生极化现象,此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷,当外力去掉后,它又重新恢面产生符号相反的电荷,当外力去掉后,它又重新恢复到
3、不带电的状态,这种现象被称为复到不带电的状态,这种现象被称为压电效应压电效应。当作。当作用力方向改变时,电荷极性也随之改变。这种机械能用力方向改变时,电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为转化为电能的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效顺压电效应应”。5.1 压电效应及压电材料正(顺)压电效应示意图正(顺)压电效应示意图F F F FF FF F 反之,当在某些物质的极化方向上施加电场,这些材反之,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
4、转场撤去时,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化为机械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致伸缩电致伸缩效应效应”。图图图图5-1 5-1 5-1 5-1 压电效应的可逆性压电效应的可逆性压电效应的可逆性压电效应的可逆性 逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应5.1 压电效应及压电材料u石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。良的压电材料。u压电材料可以分为两大类:压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶压电晶体和压电陶瓷瓷。前者为晶体,后者为极化处
5、理的多晶体。前者为晶体,后者为极化处理的多晶体。u他们都具有较大的压电常数,机械性能良好,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。较理想的压电材料。5.1 压电效应及压电材料u 压电材料的主要特性参数有:压电材料的主要特性参数有:(1 1)压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出的灵敏度。数,它直接关系到压电输出的灵敏度。(2 2)弹性常数:压电材料的弹性常数、弹性常数: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
6、性。刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。(3 3)介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件,其固介电常数: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。传感器的频率下限。(4 (4)机械耦合系数:在压电效应中,其值等于转换机械耦合系数:在压电效应中,其值等于转换 输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根;)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它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。要参数。(5 5)电阻压电材料的绝缘电阻
7、:将减少电荷泄)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。漏,从而改善压电传感器的低频特性。(6 6)居里点:压电材料开始丧失压电特性的温度称居里点:压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。为居里点。5.1 压电效应及压电材料 如图所示为天然石英如图所示为天然石英晶体,其结构形状为晶体,其结构形状为一个六角形晶柱,两一个六角形晶柱,两端为一对称棱锥。端为一对称棱锥。5.1.1 5.1.1 石英晶体石英晶体石英晶体石英晶体在晶体学中,可以把将其用三根互相垂直的轴表示,在晶体学中,可以把将其用三根互相垂直的轴表示,其中,纵轴其中,纵轴Z Z称为光轴称为光轴,通过六棱线
8、而垂直于光铀的,通过六棱线而垂直于光铀的X X铀称为电轴铀称为电轴,与,与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 (垂直于六棱柱体的棱面垂直于六棱柱体的棱面)称为称为机械轴机械轴。如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-X-X X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X(X轴轴)方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”,把沿机械轴,把沿机械轴(Y(Y轴轴)方向的作用力产生
9、的压电效应称方向的作用力产生的压电效应称为为“横向压电效应横向压电效应”,沿光轴,沿光轴(Z(Z轴轴)方向的作用力不产方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时,则产生生压电效应。沿相对两棱加力时,则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要是利用压电式传感器主要是利用纵向压电效应纵向压电效应。石石英英晶晶体体具具有有压压电电效效应应,是是由由其其内内部部分分子子结结构构决决定定的的。图图-2-2是是一一个个单单元元组组体体中中构构成成石石英英晶晶体体的的硅硅离离子子和和氧氧离离子子,在在垂垂直直于于z z轴轴的的xyxy平平面面上上的的投投影影,等等效效为为一一个个正正六六边边形形排排列列。图
10、图中中“”代代表表硅硅离离子子SiSi4+4+,“”代代表氧离子表氧离子O O2-2-。石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理图图图图5-2 5-2 5-2 5-2 硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图(a a)x xy y(b b)+x xy y+-当当石石英英晶晶体体未未受受外外力力作作用用时时,正正、负负离离子子正正好好分分布布在在正正六六边边形形的的顶顶角角上上,形形成成三三个个互互成成120120夹夹角角的的电电偶偶极极矩矩P P P P1 1、P P P P
11、2 2、P P P P3 3。如图如图5-35-3(a a)所示。)所示。(a a)F Fx x=0=0 x xy y+P P1 1P P2 2P P3 3-+-因为因为P P=qL(q为电荷量,为电荷量,L为为正负电荷之间的距离),此时正负电荷之间的距离),此时正负电荷中心重合,电偶极矩正负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即的矢量和等于零,即 P P1+P P2+P P30所以晶体表面不产生电荷,呈电中性。所以晶体表面不产生电荷,呈电中性。在在y、z方向上的分量为方向上的分量为:(P P1+P P2+P P3)y=0 (P P1+P P2+P P3)z=0当晶体受到沿当晶体受到沿x方向
12、的压力(方向的压力(F F x 0 (b b)F Fx x00 x x+F Fx xy y+-F Fx x-P P1 1P P2 2P P3 3-+-+-当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的拉力(方向的拉力(F Fx 0)作用时,其变化情)作用时,其变化情况如图况如图5-3(c)所示。电偶极矩)所示。电偶极矩P P1增大,增大,P P2、P P3减小,减小,此时它们在此时它们在x、y、z三个方向上的分量为三个方向上的分量为 (P P1+P P2+P P3)x00y yx x+F Fx xF Fx xP P2 2P P3 3P P1 1+-+-可见,当晶体受到沿可见,当晶体受到沿x(电轴电轴)方向的
13、力方向的力F Fx 作用时,它在作用时,它在x方向产生正压电效应,而方向产生正压电效应,而y、z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。晶体在晶体在y轴方向受力轴方向受力F Fy作用下的情况与作用下的情况与F Fx 相似。当相似。当F Fy 0时,晶体的形变与图时,晶体的形变与图5-3(b)相似;当)相似;当F Fy 0时,时,则与图则与图5-3(c)相似。由此可见,晶体在)相似。由此可见,晶体在y(即机械轴)(即机械轴)方向的力方向的力 F Fy作用下,在作用下,在x方向产生正压电效应,在方向产生正压电效应,在y、z方向同样不产生压电效应。方向同样不产生压电效应。晶体在晶体在z轴方向受力
14、轴方向受力F Fz的作用时,因为晶体沿的作用时,因为晶体沿x方向和方向和沿沿y方向所产生的正应变完全相同,所以,正、负电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。这就表荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这就表明,在沿明,在沿z(即光轴即光轴)方向的力方向的力F Fz 作用下,晶体不产生作用下,晶体不产生压电效应。压电效应。5.1 压电效应及压电材料u若从晶体上沿若从晶体上沿y y方向切下一块如下图所示晶片,当方向切下一块如下图所示晶片,当在电轴方向施加作用力在电轴方向施加作用力 时,时,在与电轴在与电轴x x垂直的平面上将产生电荷垂直的平面上将产生电荷
15、QxQx,其大,其大小为小为式中:式中:x x方向受力的压电系数;方向受力的压电系数;作用力。作用力。u若在同一切片上,沿机械轴若在同一切片上,沿机械轴y y方向施加作用力方向施加作用力 ,则,则仍在与仍在与x x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷QyQy,其大小,其大小为:为:5.1 压电效应及压电材料式中:式中:y轴方向受力的压电系数,轴方向受力的压电系数,a、b晶体切片长度和厚度。晶体切片长度和厚度。电荷电荷Qx和和Qy的符号由所受力的性质决定。的符号由所受力的性质决定。石英晶体受力方向与电荷极性关系石英晶体受力方向与电荷极性关系 +(a a)F Fx xx x-F Fx x(
16、b b)x x+-x xF Fy y(c c)+-F Fy y(d d)x x+-当晶片受到当晶片受到x方向的压力作用时,方向的压力作用时,qx只与作用力只与作用力F Fx成正比,而成正比,而与晶片的几何尺寸无关;与晶片的几何尺寸无关;沿机械轴沿机械轴y方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸有关的;有关的;石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的;石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的;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;压电效应;无论是正或逆压电效应,其作用力(或应变
17、)与电荷(或电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。场强度)之间皆呈线性关系。压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶体体压压电电材材料料。材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴畴,它它有有一一定定的的极极化化方方向向,从从而而存存在在电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时,电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布,它它们们各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消,压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因因此此原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷呈呈中性,不具有压电性质。中性,不具有压电性质。5.1.2 5
18、.1.2 压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷压电陶瓷在在陶陶瓷瓷上上施施加加外外电电场场时时,电电畴畴的的极极化化方方向向发发生生转转动动,趋趋向向于于按按外外电电场场方方向向的的排排列列,从从而而使使材材料料得得到到极极化化。外外电电场场愈愈强强,就就有有更更多多的的电电畴畴更更完完全全地地转转向向外外电电场场方方向向。让让外外电电场场强强度度大大到到使使材材料料的的极极化化达达到到饱饱和和的的程程度度,即即所所有有电电畴畴极极化化方方向向都都整整齐齐地地与与外外电电场场方方向向一一致致时时,当当外外电电场场去去掉掉后后,电电畴畴的的极极化化方方向向基基本本没没变变化化,即即剩剩余极化强度很大,这时的
19、材料才具有压电特性。余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。图图5-4 5-4 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化 (a)(a)未极化未极化;(b);(b)电极化电极化 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来,陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来,即在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚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附了一层来自外界的自由电荷。这些自由的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相电荷符号相反而数量相等
20、,它屏蔽和抵消了陶等,它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界瓷片内极化强度对外界的作用。的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极陶瓷片内束缚电荷与电极陶瓷片内束缚电荷与电极陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图上吸附的自由电荷示意图上吸附的自由电荷示意图上吸附的自由电荷示意图极化方向极化方向极化方向极化方向-自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极电极电极电极电极-如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F,陶瓷,陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小,极
21、化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由变小,极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷,而出现放电现象。电荷,而出现放电现象。当压力撤消后,陶瓷片当压力撤消后,陶瓷片恢复原状,极化强度也恢复原状,极化强度也变大,因此电极上又吸变大,因此电极上又吸附一部分自由电荷而出附一部分自由电荷而出现充电现象。现充电现象。正压电效应正压电效应 F F-极化方向极化方向极化方向极化方向正压电效应示意图正压电效应示意图正压电效应示意图正压电效应示意图若在片上加一个与极化方向相同的电场,电场的作用使若在片上加一个与极化方向相同的电场,电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也极化强度增大。
22、陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大,即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理,如果增大,即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外加电场的方向与极化方向相反,则陶瓷片沿极化向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械由于电效应而转变为机械效应,或者由电能转变为效应,或者由电能转变为机械能的现象,就是压电机械能的现象,就是压电陶瓷的陶瓷的逆压电效应逆压电效应。图图图图5-11 5-11 逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图逆压电效应示意图电电电电场场场场方方方方向向向向极化方向极化方向极化方向极化方向-对对于于压压电
23、电陶陶瓷瓷,通通常常取取它它的的极极化化方方向向为为z轴轴,垂垂直直于于z轴轴的的平平面面上上任任何何直直线线都都可可作作为为x或或y轴轴,在在是是和和石石英英晶晶体体的的不不同同之之处处。当当压压电电陶陶瓷瓷在在沿沿极极化化方方向向受受力力时时,则则在在垂垂直直于于z轴轴的的上上、下下两两表表面面上上将将会会出出现现电电荷荷,其其电电荷荷量量Q与作用力与作用力F Fz成正比,即成正比,即式中:式中:d d3333 压电陶瓷的压电系数;压电陶瓷的压电系数;F F F F作用力。作用力。压压电电陶陶瓷瓷的的压压电电系系数数比比石石英英晶晶体体的的大大得得多多,所所以以采采用用压压电电陶陶瓷瓷制制
24、作作的的压压电电式式传传感感器器的的灵灵敏敏度度较较高高。极极化化处处理理后后的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料的的剩剩余余极极化化强强度度和和特特性性与与温温度度有有关关,它它的的参参数数也也随随时时间间变变化化,从从而而使使其其压压电电特特性性减弱。减弱。最最早早使使用用的的压压电电陶陶瓷瓷材材料料是是钛钛酸酸钡钡(BaTiOBaTiO3 3)。它它是是由由碳碳酸酸钡钡和和二二氧氧化化钛钛按按1111摩摩尔尔分分子子比比例例混混合合后后烧烧结结而而成成的的。它它的的压压电电系系数数约约为为石石英英的的5050倍倍,但但居居里里点点温温度度只只有有115115,使使用用温温度度不不超超过过7070
25、,温温度度稳稳定定性性和机械强度都不如石英。和机械强度都不如石英。压电材料应具备以下几个主要特性:压电材料应具备以下几个主要特性:转换性能。要求具有较大的压电常数。转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。电性能。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好,要求具有较高环境适应性。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。的居里点,获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。压电材料介绍压电材料介绍压电材料介绍压电材料介
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