压电式传感器44976.pptx
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1、9.3 压电式传感器9.3.1 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理9.3.2 等效电路及信号变换电路等效电路及信号变换电路9.3.3 压电式传感器应用压电式传感器应用下一页返 回9.3.1 压电式传感器的工作原理l电势型传感器电势型传感器 以压电效应为基础以压电效应为基础压电效应可逆压电效应可逆 “双向传感器双向传感器”l正压电效应正压电效应 某某些些物物质质在在沿沿一一定定方方向向受受到到压压力力或或拉拉力力作作用用而而发发生生改改变变时时,其其表表面面上上会会产产生生电电荷荷;若若将将外外力力去去掉掉时时,它它们们又又重重新新回回到到不不带带电电的的状状态态,这这种种现现象象就就
2、称称为为正正压压电电效效应应。(加加力力 变变形形 产产生生电电荷荷)上一页下一页返 回l逆压电效应逆压电效应 在在压压电电材材料料的的两两个个电电极极面面上上,如如果果加加以以交交流流电电压压,那那么么压压电电片片能能产产生生机机械械振振动动,即即压压电电片片在在电电极极方方向向上上有有伸伸缩缩的的现现象象,压压电电材材料料的的这这种种现现象象称称为为“电电致致伸伸缩缩效效应应”,也也叫叫做做“逆逆压压电电效效应应”。(施施加电场加电场 电介质产生变形电介质产生变形 应力应力)常见的压电材料有常见的压电材料有石英石英、钛酸钡钛酸钡、锆钛酸铅锆钛酸铅等。等。9.3.1.1 压电效应压电效应l某
3、些单晶体或多晶体陶瓷电介质,当沿某些单晶体或多晶体陶瓷电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的两个对部就产生极化现象,同时在它的两个对应晶面上便产生符号相反的等量电荷,应晶面上便产生符号相反的等量电荷,当外力取消后,电荷也消失,又重新恢当外力取消后,电荷也消失,又重新恢复不带电状态,这种现象称为压电效应复不带电状态,这种现象称为压电效应 压电效应示意图 l压电材料的压电特性常用压电方程来描压电材料的压电特性常用压电方程来描述述:qi=dijj 或或Q=dijF 压电元件的坐标系表示法 l当晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度
4、可由下列方程组决定:压电材料的压电特性可以用它的压电常数矩阵表示如下:9.3.1.2 压电材料压电材料l压电材料的主要特性参数有:压电材料的主要特性参数有:A压电常数:是衡量材料压电效应强弱的参数,影响压电输压电常数:是衡量材料压电效应强弱的参数,影响压电输出的灵敏度。出的灵敏度。B弹性常数:决定压电器件的固有频率和动态特性。弹性常数:决定压电器件的固有频率和动态特性。C介电常数:影响压电元件的固有电容,随之影响压电式传介电常数:影响压电元件的固有电容,随之影响压电式传感器的频率下限。感器的频率下限。D机电耦合系数:指压电效应中,转换后的输出能量与转换机电耦合系数:指压电效应中,转换后的输出能
5、量与转换前的输入能量之比的平方根。机电耦合系数用于衡量压电材前的输入能量之比的平方根。机电耦合系数用于衡量压电材料在压电效应中的能量转换效率。料在压电效应中的能量转换效率。E电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电阻: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。电传感器的低频特性。F居里点:当温度升高到一定程度后,材料的压电特性消失。居里点:当温度升高到一定程度后,材料的压电特性消失。压电材料开始失去压电特性的温度称为居里温度。压电材料开始失去压电特性的温度称为居里温度。1.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应X轴:电轴或轴:电轴或1轴;轴;Y轴:机械轴或轴:机
6、械轴或2轴;轴;Z轴:光轴或轴:光轴或3轴。轴。“纵向压电效应纵向压电效应”:沿电轴(:沿电轴(X轴)方向的力作用下产生电荷轴)方向的力作用下产生电荷“横向压电效应横向压电效应”:沿机械轴(:沿机械轴(Y轴)方向的力作用下产生电荷轴)方向的力作用下产生电荷在光轴(在光轴(Z轴)方向时则不产生压电效应。轴)方向时则不产生压电效应。上一页下一页返 回晶体切片 l当沿电轴方向加作用力当沿电轴方向加作用力Fx时,则在与电轴垂直的平面时,则在与电轴垂直的平面上产生电荷上产生电荷 d11压电系数(压电系数(C/N)作用力是沿着机械轴方向作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与电荷仍在与X轴垂直的平面轴垂直的平面上
7、一页下一页返 回此时,此时,切片上电荷的符号与受力方向的关系 图(图(a)是在)是在X轴方向受压力,轴方向受压力,图(图(b)是在)是在X轴方向受拉力,轴方向受拉力,图(图(c)是在)是在Y轴方向受压力,轴方向受压力,图(图(d)是在)是在Y轴方向受拉力。轴方向受拉力。上一页下一页返 回石英晶体的压电效应(a)正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。)正负电荷是互相平衡的,所以外部没有带电现象。(b)在)在X轴方向压缩,表面轴方向压缩,表面A上呈现负电荷、上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。表面呈现正电荷。(c)沿)沿Y轴方向压缩,在轴方向压缩,在A和和B表面上分别呈现正电荷和负电荷表面上分别
8、呈现正电荷和负电荷 上一页下一页返 回石英晶体一种天然晶体,压电系数一种天然晶体,压电系数d112.311012C/N;莫莫氏氏硬硬度度为为7、熔熔点点为为1750、膨膨胀胀系系数数仅仅为为钢钢的的1/30。优点:优点:转转换换效效率率和和转转换换精精度度高高、线线性性范范围围宽宽、重重复复性性好好、固固有有频频率率高高、动动态态特特性性好好、工工作作温温度度高高达达550(压压电电系系数数不不随随温温度度而而改改变变)、工工作作湿湿度高达度高达100%、稳定性好。、稳定性好。上一页下一页返 回2.压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应l人工制造的多晶体,压电机理与压电晶体不同。人工制造的多晶体
9、,压电机理与压电晶体不同。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 上一页下一页返 回压电陶瓷中的电畴(a)未极化;(b)正在极化;(c)极化后陶瓷片极化 压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等,自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用,因此陶瓷片对外不表现极性。因此陶瓷片对外不表现极性。上一页下一页返 回压电陶瓷的正压电效应 l压压电电陶陶瓷瓷片片上上加加上上一一个个与与极极化化反反向向平平行行的的
10、外外力力,陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压缩缩变变形形,原原来来吸吸附附在在极极板板上上的的自由电荷,一部分被释放而出现自由电荷,一部分被释放而出现放电现象放电现象。当当压压力力撤撤消消后后,陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状,片片内内的的正正、负负电电荷荷之之间间的的距距离离变变大大,极极化化强强度度也也变变大大,因因此电极上又吸附部分自由电荷而出现此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象充电现象。放电电荷的多少与外力的大小成比例关系放电电荷的多少与外力的大小成比例关系 上一页下一页返 回 Q 电荷量;电荷量;d33 压电陶瓷的压电系数;压电陶瓷的压电系数;F 作用力。作用力。(3)压电高分子材料l高
11、分子材料属于有机分子半结晶或结晶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体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。来的压电特性。l聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯 (4)压电材料的选取l选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑以下因素键
12、。一般应考虑以下因素 A转换性能:具有较高的耦合系数或具有较大的压电系数;转换性能:具有较高的耦合系数或具有较大的压电系数;B机械性能:压电元件作为受力元件,希望它的机械强度高、机械性能:压电元件作为受力元件,希望它的机械强度高、机械刚度大,以获得宽的线性范围和高的固有振动频率;机械刚度大,以获得宽的线性范围和高的固有振动频率;C电性能:希望具有高的电阻率和大的介电常数,以减弱外电性能:希望具有高的电阻率和大的介电常数,以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特征;部分布电容的影响并获得良好的低频特征;D温度、湿度稳定性好:要求具有较高的居里点,以获得宽温度、湿度稳定性好:要求具有较高的居里点
13、,以获得宽的工作温度范围;的工作温度范围;E时间稳定性:压电特性不随时间褪化。时间稳定性:压电特性不随时间褪化。常见压电陶瓷:(1)钛酸钡()钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷)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。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)锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3系压电陶瓷(系压电陶瓷(PZT)压电系数较高,各项机电参数随温度、时间等外界条件的压电系数较高,各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小,在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素,可以变化小,在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素,可以 获得不同性能的获得不同性能的PZT材料。
14、材料。(3)铌镁酸铅)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(压电陶瓷(PMN)具有较高的压电系数,在压力大至具有较高的压电系数,在压力大至700kg/cm2仍能继续工仍能继续工 作,可作为高温下的力传感器。作,可作为高温下的力传感器。上一页下一页返 回常用压电材料的性能参数 压电材料性能参数石 英钛酸钡锆钛酸铅(PZT系)PZT-4PZT-5PZT-8压电系数/(10-12CN-1)d11=2.31d14=0.73d15=260d31=-78d33=190d15=410d31=-100d33=230d15=670d31=-185d33=600d15=330d31=-
15、90d33=200弹性系数/(109Nm-2)80110115117123相对介电常数4.51200105021001000机械品质因数105106600800801000体积电阻率/(m)1012101010101011居里点/0C573115310260300密度/(103kgm-3)2.655.57.457.57.45静抗拉强度/(105Nm-2)95100817676839.3.2 压电式传感器测量电路 l9.3.2.1 压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路l9.3.2.2压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路l9.3.2.3 压电元件的连接压电元件的连接上一页下一页返
16、回9.3.2.1 压电式传感器的等效电路上一页下一页返 回压电式传感器的等效电路(a)等效为一个电荷源等效为一个电荷源Q与一个电容与一个电容Ca并联的电路并联的电路(b)等效成一个电源等效成一个电源U=Q/Ca 和一个电容和一个电容Ca的串联电路的串联电路 上一页下一页返 回两个压电片的联结方式(a)“并联并联”,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,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,适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方,(b)“串联串联”Q=Q,U=2U,C=C/2而串联接法输出电压大,本身电
17、容小。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。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。上一页下一页返 回(a)电荷等效电路 (b)电压等效电路放大器输入端等效电路9.3.2.2压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路压压电电式式传传感感器器要要求求负负载载电电阻阻RL必必须须有有很很大大的的数数值,才能使测量误差小到一定数值以内。值,才能使测量误差小到一定数值以内。因因此此常常先先接接入入一一个个高高输输入入阻阻抗抗的的前前置置放放大大器器,然然后再接一般的放大电路及其它电路。后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高
18、阻抗的前置放大器。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用前置放大器两个作用:把压电式传感器的微弱信号放大;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。把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。上一页下一页返 回放大器输入端等效电路Ca:传感器的电容:传感器的电容 Ra:传感器的漏电阻:传感器的漏电阻 Cc:连接电缆的等效电容:连接电缆的等效电容Ri:放大器的输入电阻:放大器的输入电阻Ci:放大器的输入电容:放大器的输入电容上一页下一页返 回电荷放大器电荷放大器压电式传感器另一种专用的前置放大器。压电式传感器另一种专用的前置放大器。能能将将高高内内阻阻的的电电荷
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