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1、第六章 壓電式傳感器,壓電式傳感器基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)工作,是一種發(fā)電式傳感器(無源傳感器)。 壓電效應(yīng)可逆,故壓電式傳感器是一種“雙向傳感器”。 優(yōu)點(diǎn):響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、重量輕、體積小。 缺點(diǎn):無靜態(tài)輸出,阻抗高,需要低電容的低噪聲電纜,很多壓電材料工作溫度在250左右。,第一節(jié) 壓電效應(yīng)與壓電元件,1、壓電效應(yīng) 正壓電效應(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。 逆壓電效應(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)
2、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。,壓電方程 (1)直觀表達(dá)式: 局限性:本方程式僅適用于一定尺寸的壓電元件。,(2)一般表達(dá)式:,幾點(diǎn)說明: 下角標(biāo)i、j:i=1、2、3,表示晶體的極化方向;j=1、2、3、4、5、6,分別表示沿x軸、y軸、z軸方向的單向應(yīng)力和圍繞x軸、y軸、z軸作用的剪切應(yīng)力。,應(yīng)力符號(hào)規(guī)定:單向應(yīng)力的符號(hào)規(guī)定拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù);剪切應(yīng)力的符號(hào)用右螺旋定則確定。圖62b表示其正向。 需要對(duì)因逆壓電效應(yīng)在晶體內(nèi)產(chǎn)生的電場(chǎng)方向也作一規(guī)定,以確定dij的符號(hào),使得方程組具有更普遍的意義。當(dāng)電場(chǎng)方向指向晶軸的正向時(shí)為正,反之為負(fù)。,(3)晶體在任意受力狀態(tài)下產(chǎn)生
3、的表面電荷密度計(jì)算:,各參數(shù)含義: q1、q2、q3垂直于x軸、y軸、z軸的平面上的電荷面密度; 1、2、3沿著 x軸、y軸、z軸的單向應(yīng)力; 4、5、6圍繞x軸、y軸、z軸的剪切應(yīng)力;,這樣,壓電材料的壓電特性可以用它的壓電常數(shù)矩陣表示如下:,補(bǔ)充說明: 壓電常數(shù)dij的物理意義是指在“短路條件”下,單位應(yīng)力產(chǎn)生的電荷密度。 “短路條件”是指壓電元件的表面電荷從一產(chǎn)生就立即被引開,因而在晶體形變上不存在“二次效應(yīng)”。,二、壓電材料 明顯呈現(xiàn)壓電效應(yīng)的敏感功能材料叫壓電材料。 壓電式傳感器屬于物性型,故選用合適的壓電材料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。 壓電材料選擇的具體要求: 轉(zhuǎn)換性能。要求具有較
4、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。,1、單晶體 石英晶體種類:天然石英和人造石英。 石英晶體外形:鏡像對(duì)稱,理想外形具有30個(gè)晶面。如圖63a。 石英晶體的晶體軸(右手直角坐標(biāo)系表示) X軸,相鄰柱面內(nèi)夾角的等分線,垂直于此軸的面壓電效應(yīng)最強(qiáng),又稱電軸; Y軸,垂直于六邊形對(duì)邊的軸線,又稱機(jī)械軸,在電場(chǎng)作用下
5、,沿該軸方向的機(jī)械變形最明顯; Z軸,垂直于X、Y軸的縱軸,此方向無壓電效應(yīng),可用光學(xué)方法確定,又稱光軸。,術(shù)語: 縱向壓電效應(yīng):在1作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng); 橫向壓電效應(yīng):在2作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)。 石英晶體的切割方法:X切和Y切。 X切族:直角坐標(biāo)中,切片的原始位置是厚度平行X軸,長度平行Y軸,寬度平行于Z軸,以此原始位置旋轉(zhuǎn)出來的切型; Y切族:直角坐標(biāo)中,切片的原始位置是厚度平行Y軸,長度平行X軸,寬度平行于Z軸,以此原始位置旋轉(zhuǎn)出來的切型;,石英晶體的特點(diǎn): (1)石英晶體的介電、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好,適于做工作溫度很寬的傳感器。壓電常數(shù)與溫度關(guān)系如圖65。 術(shù)語 居里點(diǎn):石
6、英壓電常數(shù)d在常溫幾乎不隨溫度變化,但當(dāng)溫度超過500時(shí),急劇下降,達(dá)到573 時(shí),石英晶體失去壓電特性,該溫度稱其居里點(diǎn)或倒轉(zhuǎn)溫度。,(2)石英晶體的機(jī)械強(qiáng)度很高,可承受約108Pa的壓力;在沖擊力作用下漂移很??;彈性系數(shù)大。可測(cè)大量程的力和加速度。 (3)天然石英穩(wěn)定性好,但資源少。一般用于校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)傳感器或精度很高的傳感器。 鈮酸鋰晶體:時(shí)間穩(wěn)定性遠(yuǎn)強(qiáng)于壓電陶瓷,居里點(diǎn)高達(dá)1200,適于做高溫傳感器。但其各向異性明顯,比石英脆,耐沖擊性差。,2、多晶體 壓電陶瓷: 壓電陶瓷是人工多晶體壓電材料。壓電陶瓷在沒有極化之前不具有壓電效應(yīng),是非壓電體;壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后具有壓電效應(yīng),其電荷
7、密度q與應(yīng)力的關(guān)系 q=d33 d33 縱向壓電常數(shù)。其極化方向定為Z軸。 其中,BaTiO3壓電陶瓷的獨(dú)立壓電常數(shù)只有三個(gè),其壓電常數(shù)矩陣如下:,壓電陶瓷的制作工藝: 原材料粉碎; 成型; 高溫?zé)Y(jié)得到多晶導(dǎo)電體; 人工極化。 人工極化過程: 原始?jí)弘娞沾蔁o壓電性,燒結(jié)后有自發(fā)的電偶極距形成的“電疇”,但其在原始材料中無序排列,極化能力相互抵消。將這些小電疇置于2030kv/cm的強(qiáng)化電場(chǎng)放23小時(shí),極性轉(zhuǎn)到接近電場(chǎng)方向。此時(shí),鐵電陶瓷具有壓電效應(yīng)。,主要壓電陶瓷材料: (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
8、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。 (3)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN) 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,如鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)。,術(shù)語: 壓電陶瓷具有明顯的熱釋電效應(yīng)。該效應(yīng)是指:某些晶體除了由于機(jī)械應(yīng)力的作用而引起的電極化(
9、壓電效應(yīng))之外,還可由于溫度變化而產(chǎn)生電極化。用熱釋電系數(shù)來表示該效應(yīng)的強(qiáng)弱,它是指溫度每變化1時(shí),在單位質(zhì)量晶體表面上產(chǎn)生的電荷密度大小,單位為C(m2g)。,石英晶體的壓電常數(shù)矩陣:,壓電陶瓷的壓電常數(shù)矩陣:,淄博宇海電子陶瓷有限公司,三、壓電元件常用結(jié)構(gòu)形式 依據(jù)石英晶體壓電常數(shù)矩陣,其變形方式包括以下四種: 1、厚度變形(TE方式) 這種變形方式就是石英晶體的縱向壓電效應(yīng),產(chǎn)生的表面電荷密度為,2、長度變形(LE方式) 這種變形方式是利用石英晶體的橫向壓電效應(yīng),產(chǎn)生的表面電荷密度或表面電荷為,3、剪切變形 4、彎曲變形(BS方式) 非基本變形方式,是拉、壓、剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果??筛?/p>
10、據(jù)具體情況選擇合適的壓電常數(shù)。,壓電陶瓷的變形方式 對(duì)于BaTiO3壓電陶瓷,除長度變形方式(用d31)、厚度變形方式(用d33)和面剪切變形方式(用d15)以外,還有體積變形方式(簡稱VE)可以利用,如圖67e所示。這時(shí)產(chǎn)生的表面電荷密度按下式計(jì)算,雙壓電晶片 實(shí)際應(yīng)用中,如果只用單片壓晶片,要產(chǎn)生足夠的表面電荷需較大作用力。而測(cè)表面粗糙度和微壓差時(shí)提供的力較小,故常將兩片或兩片以上壓電片組合使用。 (1)雙片懸臂元件(即雙片彎曲式壓電傳感器) 當(dāng)自由端受力F時(shí),晶片彎曲,上片受拉,下片受壓,中性面OO長度不變。,圖6-7a 懸臂梁,每個(gè)單片產(chǎn)生的電荷和電壓為,(2)壓電元件的并聯(lián)和串聯(lián) 壓
11、電材料是有極性的。,并聯(lián),串聯(lián),第二節(jié) 等效電路與測(cè)量電路,一、等效電路 壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英為絕緣體,故可構(gòu)成一個(gè)電容器。,電容量計(jì)算式: 壓電元件受外力作用,兩表面產(chǎn)生等量正、負(fù)電荷,其開路電壓為:,結(jié)論:壓電傳感器可等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca的并聯(lián)電路,如圖69(a);也可等效為電壓源U和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路,如圖69(b)。其中,Ra為壓電元件的漏電阻。,電荷等效電路,電壓等效電路,注意事項(xiàng):如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量儀器連接時(shí),則應(yīng)考慮連接電纜的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。,術(shù)語:壓電式傳感器的靈敏度 電壓靈敏度ku:單位力產(chǎn)生的電壓; 電荷靈
12、敏度kq:單位力產(chǎn)生的電荷。,二、測(cè)量電路 壓電式傳感器本身的內(nèi)阻很高(Ra1010),而輸出的能量信號(hào)又非常微弱,因此它的信號(hào)調(diào)理電路通常需要一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器。 前置放大器的作用: 一是放大壓電元件的微弱信號(hào); 二是阻抗變換(把壓電式傳感器的高輸出阻抗變換成低輸出阻抗)。,前置放大器的形式: 一種是電壓放大器,其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比; 一種是電荷放大器,其輸出電壓與傳感器的輸出電荷成正比。,1、電壓放大器 將圖69b的電壓等效電路接到放大倍數(shù)為A的運(yùn)放,再簡化可得電壓放大電路。,等效電阻R為:,壓電元件所受作用力:,C=Cc+Ci,等效電容為:,Fm作用力
13、的幅值,若壓電元件材料是壓電陶瓷,其壓電系數(shù)為d33,則在外力作用下,壓電元件產(chǎn)生的電壓值為,Um電壓幅值,放大器輸入端的電壓ui,其復(fù)數(shù)形式為,Ui的幅值Uim為,輸入電壓與作用力之間的相位差為,當(dāng)時(shí),放大器輸入端電壓幅值為,傳感器的電壓靈敏度為,結(jié)論:因電纜電容及放大器輸入電容的存在,靈敏度減小。如果更換電纜,電纜電容變化,靈敏度變化。因此,如果要改變電纜長度,必須重新對(duì)靈敏度校正。,相對(duì)幅頻特性計(jì)算:,壓電式傳感器的特點(diǎn)分析: (1)高頻響應(yīng)好; (2)要擴(kuò)展低頻端,應(yīng)使時(shí)間常數(shù)增大。但不能靠增加測(cè)量回路的電容,電阻的增加也是不容易的。 (3)電纜不能太長,但可設(shè)計(jì)成一體化傳感器,即放大
14、器置入傳感器內(nèi)部。,2、電荷放大器 電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器,其基本電路如圖a所示,CF、RF為反饋電路參數(shù)。此處運(yùn)用導(dǎo)納運(yùn)算。 CF、RF等效到A的輸入端時(shí),電容CF和電導(dǎo)GF都增大(1A)倍。所以圖中,b)等效電路圖,若再考慮Cc、Ci、Ri,則電荷放大器的等效電路圖如b所示。輸出電壓,討論: (1)當(dāng)A足夠大時(shí),傳感器本身的電容和電纜長短將不影響電荷放大器的輸出。輸出電壓只決定于輸入電荷Q及反饋回路的參數(shù)CF和RF。,(2)當(dāng)工作頻率很高(即被測(cè)量為高頻信號(hào)),由于GFCF,則 可見輸出電壓Uo與A也無關(guān),只取決于Q和CF。 (3)當(dāng)工作頻率很低(即被測(cè)量為低頻信號(hào))
15、,GF與CF相當(dāng),此時(shí),電壓幅值為 上式表明:輸出電壓不僅與表面電荷Q有關(guān),并且與參數(shù)CF、RF和有關(guān),而與開環(huán)增益A無關(guān)。且越小,GF項(xiàng)越重要。當(dāng)GFCF時(shí),有,可見這是截止頻率點(diǎn)的輸出電壓,增益下降3dB時(shí)對(duì)應(yīng)的下限截止頻率為 電壓Uo與電荷Q的相位差為,小結(jié): (1)低頻時(shí)電荷放大器的頻率響應(yīng)僅決定于反饋電路參數(shù)RF和CF,其中CF的大小可以由所需要的電壓輸出幅度決定。所以當(dāng)給定工作頻帶下限截止頻率fL時(shí),反饋電阻RF值也可確定。如當(dāng)CF=1000pF,fL=0.16Hz時(shí),則要求RF109。 (2)電荷放大器工作頻帶上限取決于:運(yùn)算放大器的頻率響應(yīng);電纜長度(但影響較小)。 (3)電荷
16、放大器允許使用很長電纜,且電容變化不影響靈敏度;但價(jià)格高,電路復(fù)雜,調(diào)整困難。,第三節(jié) 壓電式傳感器的應(yīng)用舉例,特點(diǎn):壓電式傳感器的高頻響應(yīng)好;若配備合適的電荷放大器,低頻段可低至0.3Hz。常用來測(cè)量動(dòng)態(tài)參數(shù),如振動(dòng)、加速度等。 一、壓電式加速度傳感器 1、單端中心壓縮式 組成:質(zhì)量塊1、雙壓電晶體片2、引線3、底座4。 公式: QdFdma,2、梁式 特點(diǎn):采用壓電晶體彎曲變形方案,可測(cè)較小的加速度,靈敏度高,頻率下限低。如地殼、建筑物的振動(dòng)。 3、挑擔(dān)剪切式 壓電元件只承受剪切力,可以有效削弱瞬變溫度引起的熱釋電效應(yīng)。測(cè)量沖擊和輕型板、小元件的振動(dòng)。,100系列通用型壓電加速度傳感器 (
17、上海北智技術(shù)有限公司),二、壓電式測(cè)力傳感器 1、單向壓電測(cè)力傳感器 石英晶片:縱向壓電效應(yīng);采用X零度切型(即晶片面與X軸垂直的切割,或者說晶片厚度沿X軸方向,長度沿Y軸方向);取電荷的電極為與X軸垂直的上下底面,晶片尺寸為81毫米,許用壓力15105Pa;量程幾kN105 kN時(shí),輸出并聯(lián)受力為串聯(lián)型。,上蓋(蓋板):傳力元件,它的變形壁的厚度只有0.10.5毫米; 金屬基座 絕緣環(huán):聚四氟材料; 焊縫:電子束焊接。,2、三向壓電測(cè)力傳感器 基本結(jié)構(gòu)同單向測(cè)力傳感器; 壓電元件由三對(duì)不同切型的石英片組成,中間一對(duì)由于具有縱向壓電效應(yīng),可以測(cè)得主切削力Pz;另外兩對(duì)具有切向效應(yīng),方向互成90,可以測(cè)量徑向力Py與進(jìn)給力Px。 當(dāng)空間任何方向的力作用在傳感器上時(shí),便能自動(dòng)的分解成三個(gè)互相垂直的分力。,X,Z,Y,q1=d111,X,Z,Y,q2=d266,X,Z,Y,q2=d266,三、PVDF壓電薄膜 PVDF,有機(jī)高分子敏感材料,聚偏二氟乙烯,具有很強(qiáng)壓電特性。 主要優(yōu)點(diǎn): 高的壓電靈敏度,比石英高十多倍; 頻響寬,10-5-5*108Hz;
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