压电陶瓷的压电系数.pptx

第第5 5章章 压电式传感器压电式传感器第一节第一节 压电效应压电效应1第二节第二节 压电材料压电材料第三节第三节 压电压电式传感器的测量电路式传感器的测量电路3第四节第四节 压电压电式传感器应用式传感器应用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料的压电效应压电效应，是典型的，是典型的有源有源传感器。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。压电效应压电效应 某些电介质，当某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它沿着一定方向对其施力而使它变形变形时，其内部就产生时，其内部就产生极化现象极化现象，同时在它的，同时在它的两个表面上便两个表面上便产生符号相反的电荷产生符号相反的电荷，当外力去，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称称压电效应压电效应。u当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转为电能的现象，称。有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为为“正压电效应正压电效应”。相反，当在电介质极化方。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为现象称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸缩效应）。（电致伸缩效应）。u具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机能实现机电能量的相互转换，如图电能量的相互转换，如图5-15-1所示。所示。图图5-1 5-1 压电效应可逆性压电效应可逆性压电材料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：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参：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）弹性常弹性常数：压电材料的弹性常数、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）介电常数介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固：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）机械耦合系数机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换：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）电阻压电材料的绝缘电阻绝缘电阻：将减少电荷泄：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）居里点居里点：压电材料开始丧失压电特性的温度称：压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。为居里点。压电材料压电材料u压电材料可以分为压电材料可以分为两大类两大类u压电晶体压电晶体晶体晶体u压电陶瓷压电陶瓷极化处理的多晶体极化处理的多晶体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都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳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，是较理想的压电材定性好，温度稳定性好等特性，是较理想的压电材料。料。压电材料一、石英晶体一、石英晶体u石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiOSiO2 2（二氧化硅），是单晶体结构（二氧化硅），是单晶体结构u它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好它的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、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%100%、稳定性好。稳定性好。压电材料（a a）（b b）（c c）图图5-2 5-2 石英晶体石英晶体 天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的体。石英晶体各个方向的特性是不同的压电材料u天然结构定义天然结构定义lx x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强。称为电轴。效应最强。称为电轴。ly y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。称为机械轴。lz z：无压电效应，中心轴，也称光轴。：无压电效应，中心轴，也称光轴。u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方向的力作用下产生电荷的压电效应称为的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”，而把，而把沿机械沿机械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方方向受力时向受力时不产生压电效应不产生压电效应。压电材料u若从晶体上沿若从晶体上沿y y方向切下一块如图方向切下一块如图5-5-2 2（c c）所示晶片，当在电轴方向施加作用力）所示晶片，当在电轴方向施加作用力 时，在与电轴时，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 ，则仍在与，则仍在与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：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。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 ，则仍在与，则仍在与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：未受外力作用时,石英晶体正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120夹角，电偶极矩为 0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷.当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。压电材料二、压电陶瓷二、压电陶瓷u压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外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，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零，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。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。u在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，从而使材料得到极化。让外电场强度大到使动，从而使材料得到极化。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，外电场去掉后向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。如图大，这时的材料才具有压电特性。如图5-45-4。压电材料u当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电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，就是为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应压电陶瓷的正压电效应。电荷量的。电荷量的大小与外力成正比关系：大小与外力成正比关系：（a a）未极化）未极化 （b b）电极化）电极化图图5-4 5-4 压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化压电材料上式中：上式中：d d3333 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F F 作用力。作用力。u压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度灵敏度较高较高。但极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极。但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。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（最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiOBaTiO3 3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧烧结而成的。它的压电系数约为石英的结而成的。它的压电系数约为石英的5050倍，但使用倍，但使用温度较低，最高只有温度较低，最高只有7070，温度稳定性和机械强度，温度稳定性和机械强度都不如石英。都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZTPZT系系列），它有较高的压电系数和较高的工作温度。列），它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是铌镁酸铅是2020世纪世纪6060年代发展起来的压电陶瓷。具年代发展起来的压电陶瓷。具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。较高的压力。u常用压电材料的性能见书中表常用压电材料的性能见书中表5-15-1。压电材料压电效应及压电材料压电效应及压电材料l压电效应某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。压电材料受力变形，在表面产生电荷正压电效应 压电材料通电压，材料变形逆压电效应 l压电材料压电晶体压电陶瓷压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路l压电式传感器是有源器件；聚集正负电荷的两表面够成电容。实际使用时还要考虑连接电缆的等效电容，后续电路中放大器的输入电阻，输入电容以及压电传感器的泄漏电阻。压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路l压电式传感器的特点：高阻抗，低能量。l接入高输入阻抗前置放大器的作用：把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗。l压电式传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号。电压放大器电荷放大器压电式传感器的应用压电式传感器的应用l压电式测力传感器l压电式加速度传感器l压电式金属加工切削力测量l压电式玻璃破碎报警器