鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷PZT

1、第5章壓電式傳感器本章主要介紹以下內(nèi)容:1、壓電式傳感器工作原理2、等效電路和測(cè)量電路3、壓電式傳感器的應(yīng)用重點(diǎn)是掌握壓電式傳感器的轉(zhuǎn)換原理，兩種放大 電路的分析及傳感器的應(yīng)用。5.1工作原理1、壓電效應(yīng)及壓電材料對(duì)于某些晶體或陶瓷:當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn) 象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離,變形也隨著消失，稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)。石英晶體X(a)斥旋右英晶體(b)右

2、英晶休的晶軸X(a)斥旋右英晶體(b)右英晶休的晶軸X(a)斥旋右英晶體(b)右英晶休的晶軸ZYZXX(a)斥旋右英晶體(b)右英晶休的晶軸ZAY、b石英晶體壓電效應(yīng)示意圖丄沿X軸或Y軸作用力，產(chǎn)生壓電效應(yīng); 丄沿Z軸作用力，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)壓電片受力電荷極性縱向壓電效應(yīng) （沿X軸作用力）橫向壓電效應(yīng) （沿Y軸作用力）石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系壓電陶瓷+加直流電場(chǎng)>極化前出e旺e«哥職極化過(guò)程示意z 受力方向fx(b)fxZ$（極化方向）(c)(a)壓電陶瓷的極化過(guò)程和壓電原理圖壓電方程與壓電系數(shù)>剪切力的作用方向Q = diP壓電常數(shù)）丄壓電常數(shù)下標(biāo)的含義：第一個(gè)下

3、標(biāo)：表示極化方向，i=l, 2, 3分別代表X, Y, Z軸；第二個(gè)下標(biāo)：表示作用力的方向,j二1, 2, 3, 4, 5, 6分別代表沿X軸，Y軸，Z軸方向的單向應(yīng)力和 垂直于X軸，Y軸，Z軸平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作 用的剪切力；壓電材料:對(duì)壓電材料的要求:轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(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、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線(xiàn)性范圍和高的固有 振動(dòng)頻率； 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期 望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望 得到寬的工作溫度范

4、圍； 時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。分類(lèi): 丄單晶體石英(SjO):最早使用，天然晶體，穩(wěn)定，高 強(qiáng)度，溫度穩(wěn)定性好，但壓電常數(shù)小；水溶性壓電晶體(酒石酸鉀鈉、硫酸鋰等) 壓電常數(shù)大，但受溫、濕度影響大；規(guī)酸鋰晶體:耐高溫、壓電性能和時(shí)間穩(wěn)定性好，但質(zhì)脆，熱沖擊性差;丄多晶體（壓電陶瓷）鈦酸頓壓電陶瓷:壓電常數(shù)高，價(jià)格便宜，但機(jī)械 強(qiáng)度較差；錯(cuò)鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）:性能教穩(wěn)定，壓電常數(shù)較高；規(guī)酸鹽系壓電陶瓷:居里點(diǎn)較高和機(jī)械強(qiáng)度較高;規(guī)鎂酸鉛壓電陶瓷:居里點(diǎn)和壓電常數(shù)較高， 可在高溫及高壓下工作。丄有機(jī)壓電材料（壓電橡膠、塑料等）柔軟、不易破碎，可大量生產(chǎn)，面積較大11常用壓電材料性

5、能參數(shù)電材料 性能參亦、石英鈦酸規(guī)錯(cuò)鈦酸鉛PZT4*鉆鈦酸鉛PZT-5箔鈦酸鉛PZ 丁 8壓電常數(shù)/CpC/N）= 2 3L如=0. 73乩6 = 260 込=一78尙=190叢嚴(yán)410 必 i = 100必? = 230亦戍尺淞了0心戶(hù)1滋溜=6 00330 ” 9°200相對(duì)介電常數(shù)（務(wù)）:4 5'1200105021001000居里點(diǎn)溫度/C116310細(xì)300密度.I® kg/mT2. 655.57. 457.3:7. 45彈性模量/（1小N/n?）8011083.3137123機(jī)械品質(zhì)因數(shù)500'呦最大安全應(yīng)力/（105N/mf）95 Q0817G

6、7683體積電阻率/（Gm> 1O1310(25-0!>1G,C10,l(25C)最蔑允許溫度廠C55080：250250-最高允許濕度/），1QO100 .1001002、壓電式傳感器壓電兀件的連接形式(a)并聯(lián)C = 2C, Uf = U Q = 2QCf = C/2 Q' = 2S Qf = Q壓電元件受力后的變形方式:(d)面切變形(FS)(e)剪切變形(TS)(d)面切變形(FS)(e)剪切變形(TS)(a)厚度變形(TE)(C)體積變形(VE)(d)面切變形(FS)(e)剪切變形(TS)5.2等效電路和測(cè)量電路壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的變化是通過(guò)其壓電元件產(chǎn)生電荷量

7、 的大小來(lái)反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料 為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：式中S-極板面積壓電材料相對(duì)介電常數(shù)80"真空介電常數(shù)壓電元件厚度壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電 荷Q,壓電元件的開(kāi)路電壓U為U=Q/CaOIIO(a)電荷源0和電容Ca并聯(lián)(b)電源S和電容Ca串聯(lián)等效電路實(shí)際等效電路電荷等效電路G(b)電壓等效電路測(cè)量電路壓電傳感器的測(cè)量系統(tǒng)如圖壓電式傳感器前置放大器的作用：放大壓電元件的微弱信號(hào)；高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觥?.電壓放大器(a)電壓放大器等效電路I(b)簡(jiǎn)化電路416OPA60442100Q10kQ1MQ屏蔽線(xiàn)壓電元件4141電壓輸出型壓電傳感器測(cè)量電路2電荷放大器I qqUQo2 3Ur8o 一6q電荷輸出型壓電傳感器測(cè)量電路5.3壓電式傳感器的應(yīng)用壓電元件是一種典型的力敏感元件。具有體積小、 重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、固有頻率高、靈敏 度和信嗓比高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。在檢測(cè)技術(shù)中， 常用來(lái)測(cè)量力和加速度等。它的主要缺點(diǎn)是無(wú)靜態(tài)輸出，要求有很高的輸出阻 抗，且一些壓電材料的工作溫度不高。1、壓電式測(cè)力傳感器2、壓電式加速度傳感器(a)單端中心壓縮式