壓電陶瓷的壓電系數(shù).ppt

第5章壓電式傳感器 第一節(jié)壓電效應(yīng) 1 第二節(jié)壓電材料 第三節(jié)壓電式傳感器的測量電路 3 第四節(jié)壓電式傳感器應(yīng)用 4 2 概述 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng) 是典型的有源傳感器 當(dāng)某些材料受力作用而變形時(shí) 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生 從而實(shí)現(xiàn)非電量測量 壓電式傳感器具有體積小 重量輕 工作頻帶寬 靈敏度高 工作可靠 測量范圍廣等特點(diǎn) 因此在各種動(dòng)態(tài)力 機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測量 以及聲學(xué) 醫(yī)學(xué) 力學(xué) 宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用 壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì) 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí) 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷 當(dāng)外力去掉后 其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài) 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng) 當(dāng)作用力方向改變時(shí) 電荷的極性也隨之改變 有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象 稱為 正壓電效應(yīng) 相反 當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場 這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形 這種現(xiàn)象稱為 逆壓電效應(yīng) 電致伸縮效應(yīng) 具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料 壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī) 電能量的相互轉(zhuǎn)換 如圖5 1所示 圖5 1壓電效應(yīng)可逆性 壓電材料 壓電材料的主要特性參數(shù)有 1 壓電常數(shù) 壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù) 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度 2 彈性常數(shù) 壓電材料的彈性常數(shù) 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性 3 介電常數(shù) 對于一定形狀 尺寸的壓電元件 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān) 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限 4 機(jī)械耦合系數(shù) 在壓電效應(yīng)中 其值等于轉(zhuǎn)換 輸出能量 如電能 與輸入的能量 如機(jī)械能 之比的平方根 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù) 5 電阻壓電材料的絕緣電阻 將減少電荷泄漏 從而改善壓電傳感器的低頻特性 6 居里點(diǎn) 壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn) 壓電材料 壓電材料 壓電材料可以分為兩大類壓電晶體 晶體壓電陶瓷 極化處理的多晶體石英晶體 鈦酸鋇 鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料都具有較大的壓電常數(shù) 機(jī)械性能良好 時(shí)間穩(wěn)定性好 溫度穩(wěn)定性好等特性 是較理想的壓電材料 壓電材料 一 石英晶體石英晶體化學(xué)式為SiO2 二氧化硅 是單晶體結(jié)構(gòu)它的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度高 線性范圍寬 重復(fù)性好 固有頻率高 動(dòng)態(tài)特性好 工作溫度高達(dá)550 壓電系數(shù)不隨溫度而改變 工作濕度高達(dá)100 穩(wěn)定性好 壓電材料 a b c 圖5 2石英晶體 天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形 它是一個(gè)正六面體 石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的 壓電材料 天然結(jié)構(gòu)定義x 兩平行柱面內(nèi)夾角等分線 垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng) 稱為電軸 y 垂直于平行柱面 在電場作用下變形最大 稱為機(jī)械軸 z 無壓電效應(yīng) 中心軸 也稱光軸 通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 縱向壓電效應(yīng) 而把沿機(jī)械y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 橫向壓電效應(yīng) 而沿光軸z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 壓電材料 若從晶體上沿y方向切下一塊如圖5 2 c 所示晶片 當(dāng)在電軸方向施加作用力時(shí) 在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Qx 其大小為式中 x方向受力的壓電系數(shù) 作用力 若在同一切片上 沿機(jī)械軸y方向施加作用力 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy 其大小為 壓電材料 式中 y軸方向受力的壓電系數(shù) a b 晶體切片長度和厚度 電荷Qx和Qy的符號由所受力的性質(zhì)決定 若在同一切片上 沿機(jī)械軸y方向施加作用力 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy 其大小為 未受外力作用時(shí) 石英晶體正 負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上 形成三個(gè)互成120 夾角 電偶極矩為0 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷 即呈中性 當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí) 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形 正負(fù)電荷重心不再重合 在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷 電偶極矩在y方向上的分量仍為零 不出現(xiàn)電荷 當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí) 在x軸上出現(xiàn)電荷 它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷 在y軸方向上不出現(xiàn)電荷 如果沿z軸方向施加作用力 因?yàn)榫w在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同 所以正負(fù)電荷重心保持重合 電偶極矩矢量和等于零 這表明沿z軸方向施加作用力 晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng) 壓電材料 二 壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料 在無外電場作用時(shí) 電疇在晶體中雜亂分布 它們的極化效應(yīng)被相互抵消 壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零 因此原始的壓電陶瓷呈中性 不具有壓電性質(zhì) 在陶瓷上施加外電場時(shí) 電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng) 從而使材料得到極化 讓外電場強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度 即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時(shí) 外電場去掉后 電疇的極化方向基本不變 即剩余極化強(qiáng)度很大 這時(shí)的材料才具有壓電特性 如圖5 4 壓電材料 當(dāng)陶瓷材料受到外力作用時(shí) 電疇的界限發(fā)生移動(dòng) 電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn) 從而引起剩余極化強(qiáng)度的變化 因而在垂直于極化方向的平面上將出現(xiàn)極化電荷的變化 這種因受力而產(chǎn)生的由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng) 將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象 就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng) 電荷量的大小與外力成正比關(guān)系 a 未極化 b 電極化圖5 4壓電陶瓷的極化 壓電材料 上式中 d33 壓電陶瓷的壓電系數(shù) F 作用力 壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多 所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高 但極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān) 它的參數(shù)也隨時(shí)間變化 從而使其壓電特性減弱 最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇 BaTiO3 它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成的 它的壓電系數(shù)約為石英的50倍 但使用溫度較低 最高只有70 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英 目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛 PZT系列 它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度 鈮鎂酸鉛是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷 具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度 而且能承受較高的壓力 常用壓電材料的性能見書中表5 1 壓電材料 壓電效應(yīng)及壓電材料 壓電效應(yīng)某些電介質(zhì) 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí) 內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷 當(dāng)外力去掉后 又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài) 壓電材料受力變形 在表面產(chǎn)生電荷 正壓電效應(yīng)壓電材料通電壓 材料變形 逆壓電效應(yīng)壓電材料壓電晶體壓電陶瓷 壓電式傳感器的等效電路 壓電式傳感器是有源器件 聚集正負(fù)電荷的兩表面夠成電容 實(shí)際使用時(shí)還要考慮連接電纜的等效電容 后續(xù)電路中放大器的輸入電阻 輸入電容以及壓電傳感器的泄漏電阻 壓電式傳感器的測量電路 壓電