常用傳感器-壓電資料

掌握道路交通壓電傳感器的基本原理 2 2壓電傳感器 目錄 4 1 1傳感器概述 1 2 3 5 1 2壓電傳感器 1 3光電傳感器 1 4電渦流傳感器 1 5微波傳感器 6 7 1 6超聲波傳感器 1 7圖像傳感器 3 思考 什么是壓電式傳感器什么是壓電效應(yīng) 正壓電效應(yīng)傳感器能否測(cè)靜態(tài)信號(hào) 為什么 石英晶體的壓電效應(yīng)有何特點(diǎn) 并說明什么是縱向壓電效應(yīng) 什么是橫向壓電效應(yīng) 以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ) 在外力作用下 在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷 從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量 壓電傳感元件是力敏感元件 所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量 例如力 壓力 加速度等 壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬 靈敏度高 信噪比大 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 工作可靠 重量輕等優(yōu)點(diǎn) 1 2壓電式傳感器 一 壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng) 順壓電效應(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)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷 當(dāng)外力去掉后 又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象 當(dāng)作用力方向改變時(shí) 電荷極性也隨著改變 逆壓電效應(yīng) 電致伸縮效應(yīng) 當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng) 這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力 當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí) 這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象 電能 機(jī)械能 正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng) 天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體 在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示 其中縱向軸Z Z稱為光軸 經(jīng)過正六面體棱線 并垂直于光軸的X X軸稱為電軸 與X X軸和Z Z軸同時(shí)垂直的Y Y軸 垂直于正六面體的棱面 稱為機(jī)械軸 Z X Y a b 石英晶體 a 理想石英晶體的外形 b 坐標(biāo)系 Z Y X 通常把沿電軸X 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)械軸Y Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 橫向壓電效應(yīng) 沿光軸Z Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 一 石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體具有壓電效應(yīng) 是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的 組成石英晶體的硅離子Si4 和氧離子O2 在Z平面投影 如圖 a 為討論方便 將這些硅 氧離子等效為圖 b 中正六邊形排列 圖中 代表Si4 代表2O2 b a Y X X Y 硅氧離子的排列示意圖 a 硅氧離子在Z平面上的投影 b 等效為正六邊形排列的投影 9 當(dāng)作用力FX 0時(shí) 正 負(fù)離子 即Si4 和2O2 正好分布在正六邊形頂角上 形成三個(gè)互成120 夾角的偶極矩P1 P2 P3 如圖 a 所示 此時(shí)正負(fù)電荷中心重合 電偶極矩的矢量和等于零 即P1 P2 P3 0 當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力 FX0 在Y Z方向上的分量為 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0由上式看出 在X軸的正向出現(xiàn)正電荷 在Y Z軸方向則不出現(xiàn)電荷 Y X a FX 0 P1 P2 P3 FX X Y FX b FX 0 P1 P2 P3 可見 當(dāng)晶體受到沿X 電軸 方向的力FX作用時(shí) 它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng) 而Y Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似 當(dāng)FY 0時(shí) 晶體的形變與圖 b 相似 當(dāng)FY 0時(shí) 則與圖 c 相似 由此可見 晶體在Y 即機(jī)械軸 方向的力FY作用下 使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng) 在Y Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng) P1 P2 P3 X 0 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0 c FX 0 Y X FX FX P2 P3 P1 當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力 FX 0 作用時(shí) 其變化情況如圖 c 此時(shí)電極矩的三個(gè)分量為 在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷 在Y Z方向則不出現(xiàn)電荷 晶體在Z軸方向力FZ的作用下 因?yàn)榫w沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同 所以 正 負(fù)電荷中心保持重合 電偶極矩矢量和等于零 這就表明 沿Z 即光軸 方向的力FZ作用下 晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體 晶體切片 使它的晶面分別平行于X Y Z軸 如圖 并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面 當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力 XX作用時(shí) 晶片將產(chǎn)生厚度變形 并發(fā)生極化現(xiàn)象 在晶體線性彈性范圍內(nèi) 極化強(qiáng)度PXX與應(yīng)力 XX成正比 Z Y X b l 石英晶體切片 t 式中FX X軸方向的電場(chǎng)強(qiáng)度 d11 壓電系數(shù) 當(dāng)受力方向和變形不同時(shí) 壓電系數(shù)也不同 石英晶體d11 2 3 10 12CN 1 l b 石英晶片的長(zhǎng)度和寬度 極化強(qiáng)度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度 即 式中qX 垂直于X軸平面上的電荷 將上兩式整理 得 式中 電極面間電容 其極間電壓為 根據(jù)逆壓電效應(yīng) 晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮 即或用應(yīng)變表示 則式中EX X軸方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度 在X軸方向施加壓力時(shí) 左旋石英晶體的X軸正向帶正電 如果作用力FX改為拉力 則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷 但極性相反 見圖 a b FX FX a b X X t d11UX 如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向 其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn) 其極性見圖 c d 此時(shí)電荷的大小為 c d FY FY X X 式中d12 石英晶體在Y軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù) 根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件 d11 d12 則上式為式中t 晶片厚度 則其極間電壓為 根據(jù)逆壓電效應(yīng) 晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形 即或用應(yīng)變表示由上述可知 無論是正或逆壓電效應(yīng) 其作用力 或應(yīng)變 與電荷 或電場(chǎng)強(qiáng)度 之間呈線性關(guān)系 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng) 則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng) 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì) 是人工制造的多晶壓電材料 它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu) 電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域 它有一定的極化方向 從而存在一定的電場(chǎng) 在無外電場(chǎng)作用時(shí) 各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布 它們的極化效應(yīng)被相互抵消 因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零 見圖 a 直流電場(chǎng)E 剩余極化強(qiáng)度 剩余伸長(zhǎng) 電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng) a 極化處理前 b 極化處理中 c 極化處理后 二 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 18 當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí) 無法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度 陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來 即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷 另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷 由于束縛電荷的作用 在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷 這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等 它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用 所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度 如圖 如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F 如圖 陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變 圖中虛線 片內(nèi)的正 負(fù)束縛電荷之間的距離變小 極化強(qiáng)度也變小 因此 原來吸附在電極上的自由電荷 有一部分被釋放 而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象 當(dāng)壓力撤消后 陶瓷片恢復(fù)原狀 這是一個(gè)膨脹過程 片內(nèi)的正 負(fù)電荷之間的距離變大 極化強(qiáng)度也變大 因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象 這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng) 或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象 就是正壓電效應(yīng) 同樣 若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng) 如圖 由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同 所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大 這時(shí) 陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大 就是說 陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變 圖中虛線 同理 如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反 則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變 這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象 就是逆壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng)示意圖 實(shí)線代表形變前的情況 虛線代表形變后的情況 極化方向 電場(chǎng)方向 由此可見 壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng) 是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化 這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后 陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度 如果外界的作用 如壓力或電場(chǎng)的作用 能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化 陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng) 此外 還可以看出 陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷 而不是自由電荷 這些束縛電荷不能自由移動(dòng) 所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象 是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化 引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果 種類 壓電晶體 如石英等 壓電陶瓷 如鈦酸鋇 鋯鈦酸鉛等 壓電半導(dǎo)體 如硫化鋅 碲化鎘等 對(duì)壓電材料特性要求 轉(zhuǎn)換性能 要求具有較大壓電常數(shù) 機(jī)械性能 壓電元件作為受力元件 希望它的機(jī)械強(qiáng)度高 剛度大 以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率 電性能 希望具有高電阻率和大介電常數(shù) 以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 溫度和濕度穩(wěn)定性要好 要求具有較高的居里點(diǎn) 獲得較寬的工作溫度范圍 時(shí)間穩(wěn)定性 要求壓電性能不隨時(shí)間變化 二 壓電材料 一 石英晶體石英 SiO2 是一種具有良好壓電特性的壓電晶體 其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好 在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化 如下兩圖 由圖可見 在20 200 范圍內(nèi) 溫度每升高1 壓電系數(shù)僅減少0 016 但是當(dāng)?shù)?73 時(shí) 它完全失去了壓電特性 這就是它的居里點(diǎn) 1 00 0 99 0 98 0 97 0 96 0 95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 dt d20 斜率 0 016 t 石英的d11系數(shù)相對(duì)于20 的d11溫度變化特性 6 5 4 3 2 1 0 100 200 300 400 500 600 t 相對(duì)介電常數(shù) 居里點(diǎn) 石英在高溫下相對(duì)介電常數(shù)的溫度特性 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定 機(jī)械強(qiáng)度高 絕緣性能也相當(dāng)好 但石英材料價(jià)格昂貴 且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多 因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中 因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體 因此 按不同方向切割的晶片 其物理性質(zhì) 如彈性 壓電效應(yīng) 溫度特性等 相差很大 為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí) 根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型 石英晶片的切型符號(hào)表示方法 IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)表示法 習(xí)慣符號(hào)表示法 IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)包括一組字母 X Y Z t l b 和角度 用X Y Z中任意兩個(gè)字母的先后排列順序 表示石英晶片厚度和長(zhǎng)度的原始方向 用字母t 厚度 l 長(zhǎng)度 b 寬度 表示旋轉(zhuǎn)軸的位置 當(dāng)角度為正時(shí) 表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 當(dāng)角度為負(fù)時(shí) 表示順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 例如 YXl 35 切型 其中第一個(gè)字母Y表示石英晶片在原始位置 即旋轉(zhuǎn)前的位置 時(shí)的厚度 Z Z O O Y Y Z X X 35 a b YXl 35 切型 a 石英晶片原始位置 b 石英晶片的切割方位 沿Y軸方向 第二個(gè)字母X表示石英晶片在原始位置時(shí)的長(zhǎng)度沿X軸方向 第三個(gè)字母l和角度35 表示石英晶片繞長(zhǎng)度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)35 如圖 Y 又如 XYtl 5 50 切型 它表示石英晶片原始位置的厚度沿X軸方向 長(zhǎng)度沿Y軸方向 先繞厚度t逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)5 再繞長(zhǎng)度l順時(shí)針旋轉(zhuǎn)50 如圖 習(xí)慣符號(hào)表示法是石英晶體特有的表示法 它由兩個(gè)大寫的英文字母組成 例如 AT BT CT DT NT MT和FC等 O O 50 Z Z Z Y Y 5 Z X Y a 石英晶片原始位置 b 石英晶片的切割方位 二 壓電陶瓷1 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇 BaTiO3 是由碳酸鋇 BaCO3 和二氧化鈦 TiO2 按1 1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù) 約為石英晶體的50倍 不足之處是居里溫度低 120 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體 2 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 PZT 鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb Zr Ti O3 它與鈦酸鋇相比 壓電系數(shù)更大 居里溫度在300 以上 各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小 時(shí)間穩(wěn)定性好 此外 在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素 如鈮 銻 錫 錳 鎢等 還可以獲得不同性能的PZT材料 因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料 4 壓電半導(dǎo)體材料如ZnO CdS ZnO CdTe 這種力敏器件具有靈敏度高 響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn) 此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料 可測(cè)取力和溫度等參數(shù) 3 壓電聚合物聚二氟乙烯 PVF2 是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的聚合物薄膜 這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來看 不存在壓電效應(yīng) 但是它們具有 平面鋸齒 結(jié)構(gòu) 存在抵消不了的偶極子 經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列 并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子 當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后 就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜 這種薄膜有可撓性 并容易制成大面積壓電元件 這種元件耐沖擊 不易破碎 穩(wěn)定性好 頻帶寬 為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末 制成混合復(fù)合材料 PVF2 PZT 一 壓電式加速度傳感器 二 壓電式壓力傳感器 三 壓電式流量計(jì) 四 集成壓電式傳感器 五 壓電式傳感器在自來水管道測(cè)漏中的應(yīng)用 三 壓電式傳感器的應(yīng)用 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí) 因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量較小 因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng) 并受到與加速度方向相反的慣性力 此力F ma 同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運(yùn)動(dòng)方向 2 1 3 4 5 縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖 一 壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型 橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種 縱向效應(yīng)是最常見的 如圖 壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型 通過螺母3對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載 使之壓緊在壓電陶瓷上 測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起 輸出信號(hào)由電極1引出 q d33F d33ma 此式表明電荷量直接反映加速度大小 其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān) 為了提高傳感器靈敏度 一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片 若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng) 同時(shí)會(huì)降低振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率 因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度 此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度 連接方式 圖 a 為并聯(lián)形式 片上的負(fù)極集中在中間極上 其輸出電容C 為單片電容C的兩倍 但輸出電壓U 等于單片電壓U 極板上電荷量q 為單片電荷量q的兩倍 即圖 b 為串聯(lián)形式 正電荷集中在上極板 負(fù)電荷集中在下極板 而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消 從圖中可知 輸出的總電荷q 等于單 片電荷q 而輸出電壓U 為單片電壓U的二倍 總電容C 為單片電容C的一半 即 a 并聯(lián) b 串聯(lián) 疊層式壓電元件 并聯(lián)接法 輸出電荷大 時(shí)間常數(shù)大 宜用于測(cè)量緩變信號(hào) 并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合 串聯(lián)接法 輸出電壓大 本身電容小 適用于以電壓作為輸出信號(hào) 且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合 二 壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同 壓電式測(cè)壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式 但它們的基本原理相同 壓電式測(cè)壓傳感器的原理簡(jiǎn)圖 它由引線1 殼體2 基座3 壓電晶片4 受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成