傳感技術(shù)及應(yīng)用6壓電式傳感器

1、傳感技術(shù)及應(yīng)用6壓電式傳感器第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器的廣泛應(yīng)用 可以用來測量發(fā)動機內(nèi)部燃燒壓力的測量與真空度的測量。也可以用于軍事工業(yè)，例如用它來測量槍炮子彈在膛中擊發(fā)的一瞬間的膛壓的變化和炮口的沖擊波壓力。它既可以用來測量大的壓力，也可以用來測量微小的壓力。 測量壓力第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器的廣泛應(yīng)用 測量加速度頻率范圍：1-10000Hz10%),通用測振 頻率范圍：0.1-4000Hz10%),三向測振頻率范圍：1-10000Hz10%)大振動、沖擊測量 頻率范圍：0.2-7000Hz10%)高溫、長期振動監(jiān)測10%),低頻，小g測振 6-1 壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì)物質(zhì)，在

2、沿一定方向上受到外力的作用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其外表上產(chǎn)生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)。 相反，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)活力械變形，當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)。第六章 壓電式傳感器FF極化面Q壓電介質(zhì)機械能電能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性 當力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率一樣；當動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于外表漏電而很快泄漏、消失。 石英晶體的壓電效應(yīng)演示第六章 壓電式傳感器1、種類：石英晶體：如石英等

3、；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；高分子壓電材料：聚偏二氟乙烯等。2、對壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能：要求具有較大壓電常數(shù)； 機械性能：機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率； 電性能：具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外局部布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 環(huán)境適應(yīng)性強：溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍； 時間穩(wěn)定性：要求壓電性能不隨時間變化。 壓電材料第六章 壓電式傳感器 石英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)定性好。在20200范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少0.016。

4、但是當?shù)?73時，壓電特性完全失去，這就是它的居里點。 石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能好。但價格昂貴，且壓電系數(shù)低。因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中。第六章 壓電式傳感器 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。缺乏之處是居里溫度低120，溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。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PbZr、TiO3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300以上，各項機

5、電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(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。 第六章 壓電式傳感器c. 壓電半導(dǎo)體 1968年出現(xiàn)了多種壓電半導(dǎo)體材料，如硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘、碲化鋅和砷化鎵等。特點：既有壓電特性，又有半導(dǎo)體性質(zhì)，因此，可研制壓電傳感器，也可制作半導(dǎo)體電子器件，還可將二者結(jié)合，研制新型集成壓電傳感器。這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為外表聲波振蕩器的壓電材料，還可測溫度等參數(shù)。第六章 壓電式傳感器高分子壓電薄膜：是某些高分子聚

6、合物經(jīng)延展和拉伸以及電場極化后具有壓電性能的材料，如聚偏二氟乙烯。優(yōu)點：耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。高分子壓電陶瓷薄膜：是在高分子化合物中參加壓電陶瓷粉末制成的，這種復(fù)合材料保持了高分子壓電陶瓷薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)。 第六章 壓電式傳感器第六章 壓電式傳感器一、石英晶體的壓電效應(yīng) 石英晶體有天然和人造石英單晶兩種。 石英晶體屬六方晶系，是一個正六面體，有右旋和左旋石英晶體之分，在晶體學中用三根互相 垂直的軸 Z、X、Y 表示它的坐標。 講義P108第六章 壓電式傳感器 Z 軸為光軸中性軸，它是晶體的對稱軸，光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，因此它的奉獻是作為基準軸。 X

7、 軸為電軸垂直于光軸，該軸壓電效應(yīng)最顯著，它通過正六棱柱相對的兩個棱線且垂直于光軸Z，顯然X軸共有三個。 Y 軸為機械軸力軸，顯然也有三個，它垂直于兩個相對的外表，在此軸上加力產(chǎn)生的變形最大。第六章 壓電式傳感器第六章 壓電式傳感器+YXp3p1p2aYX+p1p2p3Fx+FxbYXFy+Fy+p1p2p3c 現(xiàn)將組成石英（SiO2）晶體的硅離子和氧離子的排列在垂直于晶體Z軸的xy平面上進行投影，等效為正六邊形排列。 圖中“ ”代表Si4+，“ ”代表2O2。+第六章 壓電式傳感器 當石英晶體未受力作用時，正、負離子即Si4+和2O2正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個大小相等，互成120夾

8、角的電偶極矩 p1、 p2 和 p3。 電偶極矩的矢量和等于零，即 ，這時晶體外表不產(chǎn)生電荷，石英晶體從整體上呈電中性。見圖a +YXp3p1p2圖（a）第六章 壓電式傳感器YX+p1p2p3Fx+Fx圖（b） 當石英晶體受到沿X方向的壓縮力作用時，晶體沿X方向產(chǎn)生壓縮變形，正、負離子的相對位置隨之變動，正、負電荷中心不再重合，電偶極矩在X軸方向的分量， ，在X軸的正方向的晶體外表上出現(xiàn)正電荷。而在Y軸和Z軸方向的分量均為零。在垂直于Y軸和Z軸的晶體外表上不出現(xiàn)電荷。 這種沿X軸作用力，而在垂直于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“縱向壓電效應(yīng)。見圖b第六章 壓電式傳感器YXFy+Fy+p1p2p

9、3圖（c） 當石英晶體受到沿Y軸方向的壓縮力作用時，電偶極矩在X軸方向的分量 ，在X軸的正方向的晶體外表上出現(xiàn)負電荷。這種情況等同于沿X軸方向的拉力作用，同樣在垂直于Y軸和Z軸的晶面上不出現(xiàn)電荷。 這種沿Y軸作用力，而在垂直于X軸的晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“橫向壓電效應(yīng)。見圖c。 第六章 壓電式傳感器 當晶體受到沿Z軸方向的力無論是壓縮力或拉伸力作用時，因為石英晶體在X軸方向和Y方向的變形一樣，正、負電荷中心始終保持重合，電偶極矩在X、Y方向的分量等于零。 所以沿光軸方向施加作用力，石英晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 當作用力Fx或Fy的方向相反時，電荷的極性隨之改變。假設(shè)石英晶體的各個方向同時受到

10、均等的作用力如液體壓力，石英晶體將保持電中性。 所以石英晶體沒有體積變形的壓電效應(yīng)。第六章 壓電式傳感器石英晶體的特點 介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適宜做工作溫度范圍很寬的傳感器。 機械強度很高，可承受約108Pa的壓力。 天然石英的穩(wěn)定性好 資源少，存在某些缺陷。 二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 第六章 壓電式傳感器 壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料。 它由無數(shù)細微的電疇組成，這些電疇實際上是自發(fā)極化的小區(qū)域，自發(fā)極化的方向完全是任意排列的。在無外電場作用時，從整體來看，這些電疇的極化效應(yīng)被互相抵消，使原始的壓電陶瓷呈電中性，不具有壓電性質(zhì)。 未極化的電疇第六章 壓電式傳感器為了使壓電陶瓷具有壓電

11、效應(yīng)，必須進展極化處理。 所謂極化處理，就是在一定溫度下對壓電陶瓷施加強電場如2030kv/cm直流電場，經(jīng)過23小時以后，壓電陶瓷就具備壓電性能了，這是因為陶瓷內(nèi)部的電疇的極化方向在外電場作用下都趨向于電場的方向，這個方向就是壓電陶瓷的極化方向，通常取 z 軸方向。 電場方向電極化處理后的電疇第六章 壓電式傳感器 經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，在外電場去掉后，其內(nèi)部仍存在著很強的剩余極化強度，當壓電陶瓷受外力作用時，電疇的界限發(fā)生挪動，因此剩余極化強度將發(fā)生變化，壓電陶瓷就呈現(xiàn)出壓電效應(yīng)。幾個關(guān)鍵詞： 極化強度、束縛電荷、自由電荷第六章 壓電式傳感器熱釋電效應(yīng) 某些晶體除了由于機械效應(yīng)的作用而引起

12、的電極化壓電效應(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)的強弱，它是指溫度每變化1攝氏度時，在單位重量晶體外表上產(chǎn)生的電荷密度大小。第六章 壓電式傳感器幾種壓電陶瓷 鈦酸鋇壓電陶瓷 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 壓電聚合物第六章 壓電式傳感器第六章 壓電式傳感器超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用B超換能器用晶片高分子壓電薄膜壓電薄膜聚偏二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚偏氟乙烯PVDF、改性聚氯乙烯PVC等 第六章 壓電式傳感器第六章 壓電式傳感器三、壓電常數(shù)和外表電荷的計算 1、石英晶體的壓電常數(shù)和外表電荷的計算 從石英晶體上切一片平行六面體 晶體切片，使它的晶面分別平行于x、y

13、、z軸。 btl1zxyT11當晶片受到 x 方向壓縮應(yīng)力T1(N/m2)作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，在垂直于x軸外表上產(chǎn)生的電荷密度1與應(yīng)力T1成正比。 第六章 壓電式傳感器 當石英晶片在x軸方向施加壓縮力時，產(chǎn)生的電荷q正比于作用力F1，與晶片的幾何尺寸無關(guān)，假設(shè)晶片在晶軸x方向受到拉力大小與壓縮力相等的作用，那么仍在垂直于x軸外表上出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。 +xF1F1+xF1F1石英晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系第六章 壓電式傳感器2當晶片受到沿 y即機械軸方向的應(yīng)力T2作用時，在垂直于x軸外表出現(xiàn)電荷，電荷的極性如以以下圖示。 +xF2F2+xF2F2電荷密度12與施加的應(yīng)力T2成

14、正比。 第六章 壓電式傳感器?一道練習題 pC/N 第六章 壓電式傳感器 3當石英晶體受到z軸即光軸方向應(yīng)力T3作用時，無論是拉伸應(yīng)力，還是壓縮應(yīng)力，都不會產(chǎn)生電荷，即：d13=0。4當石英晶體分別受到剪切應(yīng)力T4、T5、T6作用時， 那么有 即d15= 0 即d16= 0 xyz123456以上三式中的T4、T5、T6分別為晶片x面即yz平面、y面即zx平面和z面即xy平面上作用的剪切應(yīng)力。 第六章 壓電式傳感器 由此可得到石英晶體在所有應(yīng)力作用下的順壓電效應(yīng)矩陣表達式 ： 壓電常數(shù)矩陣是正確選擇壓電元件、受力狀態(tài)、變形方式、能量轉(zhuǎn)換率以及晶片幾何切型的重要根據(jù)。 由壓電常數(shù)矩陣還可以知道，

15、壓電元件承受機械應(yīng)力作用時，有哪幾種變形方式具有能量轉(zhuǎn)換作用。 3石英晶體通過dij的四種根本變形方式可將機械能轉(zhuǎn)換為電能。 (a) 厚度變形，通過d11產(chǎn)生x方向的縱向壓電效應(yīng)； (b) 長度變形，通過d12產(chǎn)生y方向的橫向壓電效應(yīng)； (c) 面剪切變形，晶體受剪切面與產(chǎn)生電荷的面共面。 如：對x切晶片，當x面即yz平面上作用剪切應(yīng)力時，通過d14在此同一面上產(chǎn)生電荷。對于y切晶片，通過d25可在y面即zx平面產(chǎn)生面剪切式能量轉(zhuǎn)換。 (d) 厚度剪切變形，晶體受剪切面與產(chǎn)生電荷不共面，如y切晶片，當z面即xy平面上作用有剪切應(yīng)力時，通過d26在y面即zx平面上產(chǎn)生電荷。第六章 壓電式傳感器第

16、六章 壓電式傳感器2、 壓電陶瓷的壓電常數(shù)和外表電荷的計算 壓電陶瓷的極化方向通常取 z 軸方向，在垂直于 z 軸平面上的任何直線都可取作為 x 軸或 y 軸，對于 x 軸和 y軸，其壓電特性是等效的。壓電常數(shù) dij 的兩個下標中的1和2可以互換，4和5也可以互換，這樣在18個壓電常數(shù)中，不為零的只有5個，其中獨立的壓電常數(shù)只有三個，即d33、d31和d15。 如鈦酸鋇壓電陶瓷，壓電常數(shù)矩陣為： 鈦酸鋇壓電陶瓷除厚度變形、長度變形和剪切變形外，還可利用體積變形獲得壓電效應(yīng)。 石英晶體與壓電陶瓷的比較石英晶體 壓電陶瓷a 單晶體 人工制造的多晶體b 極化方向：X、Y Z軸c 介電和壓電常數(shù) 靈

17、敏度高的溫度穩(wěn)定性好第六章 壓電式傳感器壓電材料的主要性能指標壓電常數(shù)衡量壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度 彈性常數(shù)決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性 介電常數(shù)影響壓電器件的固有電容與頻率下限絕緣電阻影響電荷泄漏和低頻特性居里點壓電材料開場喪失壓電特性的溫度 第六章 壓電式傳感器壓電元件的構(gòu)造形式第六章 壓電式傳感器 在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如以下圖。圖a為并聯(lián)接法，其輸出電容C為單片的n倍，即C=nC，輸出電壓U=U，極板上的電荷量Q為單片電荷量的n倍，即Q=nQ。圖中b為串聯(lián)接法，這時有QQ，U= nU，C=C

18、/n。 6-2 壓電式傳感器的等效電路 在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。a b第六章 壓電式傳感器壓電式傳感器的等效電路第六章 壓電式傳感器 壓電式傳感器對被測量的感受程度是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量大小來反映的，因此它相當于一個電荷源，而壓電元件電極外表聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器。 講義P161第六章 壓電式傳感器QCaRfUaUCaRfUa 因為傳感器既是電荷源又是電容器，其等效電路可以認為是兩者

19、的并聯(lián)。也可以等效為一個電壓源和一個電容串聯(lián)的電路。 其開路電壓： 由上圖可知，只有在外電路負載Rf無窮大，而且內(nèi)部無漏電時，壓電傳感器所產(chǎn)生的電荷及其形成的電壓Ua才能長期保持，假設(shè)負載不是無窮大，那么電路將以RfCa為時間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。 第六章 壓電式傳感器 利用壓電式傳感器進展測量時，由于它要與測量電路相連接，于是應(yīng)考慮電纜電容Cc，放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra，從而可以得到壓電傳感器完好等效電路。 QCaRaCcRiCiUCaRaCcRiCi 壓電傳感器產(chǎn)生的電荷很少，信號微弱，而自身又要有極高的絕緣電阻，因此需經(jīng)測量電路進展阻抗變換和信號放大，

20、且要求測量電路輸入端必須有足夠高的阻抗和較小的分布電容，以防止電荷迅速泄漏，電荷泄漏將引起測量誤差。 第六章 壓電式傳感器6-3 壓電式傳感器的測量線路 根據(jù)壓電式傳感器的工作原理及其等效電路，它的輸出可以是電壓信號也可以是電荷信號，因此設(shè)計前置放大器也有兩種形式：一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓傳感器的輸出電壓成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 第六章 壓電式傳感器一、電壓放大器 左圖為電壓放大器電路簡化等效電路圖，圖中 UCaRCUscUsrA；假設(shè)壓電元件受作用力的為交變力 FFm Sint Fm 作用力幅值 。那么產(chǎn)生的電荷與電壓均按正弦規(guī)律變化壓電元件是壓

21、電陶瓷在其電軸上作用交變力 Qd33F； d33壓電系數(shù) 。那么壓電元件上產(chǎn)生的電壓值 ：第六章 壓電式傳感器 根據(jù)上面的電路，可得到前置放大器的輸入電壓Vsr，寫成復(fù)數(shù)形式 ：那么前置放大器輸入電壓的幅值Vsrm為： 輸入電壓與作用力之間相位差為： 傳感器的電壓靈敏度 ：因為，則第六章 壓電式傳感器結(jié)論：1當0作用在壓電元件上的力是靜態(tài)力，那么放大器輸入電壓等于零，這意味著電荷被泄漏，從原理上這時壓電傳感器不能測靜態(tài)量；2當 ，可近似看作放大器輸入電壓與作用力的頻率無關(guān)，被測物理量變化頻率越高越能滿足上述條件，可見壓電式傳感器高頻響應(yīng)非常好。3為擴大低頻響應(yīng)范圍，必須盡量進步回路的時間常數(shù)，

22、但不能進步電容，否那么電壓靈敏度會下降，因此只能進步電阻。主要取決于前置放大器的輸入電阻，放大器輸入電阻越大，測量回路的時間常數(shù)越大，傳感器的低頻響應(yīng)越好。 電壓放大器電路簡單，元器件少、價格廉價、工作可靠，但電纜長度不能長，增加電纜長度會降低傳感器的電壓靈敏度，而且不能隨意更換出廠時規(guī)定的電纜，一旦更換電纜，必須重新校正靈敏度，否那么將引起測量誤差。 第六章 壓電式傳感器第六章 壓電式傳感器二、電荷放大器 QCaCcCiCfRfUscK 電荷放大器實際上是一個具有深度負反響的高增益運算放大器。 當放大器開環(huán)增益和輸入電阻、反響電阻相當大時，放大器的輸出電壓Vsc正比于輸入電荷Q。式中 Ca傳

23、感器壓電元件 的電容； Cc電纜電容 Ci放大器輸入電容 Cf放大器反響電容 k放大器的開環(huán)增益第六章 壓電式傳感器當k足夠大，則： 那么 ： 電荷放大器的輸出電壓僅與電荷量和反響電容有關(guān)，只要保持反響電容的數(shù)值不變，輸入電壓就正比于輸入電荷量，且當1+KCf 10Ca+Cc+Ci以上時， 可認為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜和使用較長電纜數(shù)百米時，無需重新校正傳感器靈敏度。 Rf約10101014提供直流反響； 電荷放大器的時間常數(shù)RfCf相當大105S以上，下限截止頻率fL=1/(2RfCf) ，低達310-6Hz，上限頻率高達100KHz，輸入阻抗大于1012，輸出阻抗小于100

24、。 壓電式傳感器配用電荷放大器時，低頻響應(yīng)比配用電壓放大器要好得多，可對準靜態(tài)的物理量進展有效的測量。 6-4 壓電式傳感器的應(yīng)用第六章 壓電式傳感器一、壓電式加速度傳感器 通過壓電元件與質(zhì)量塊的結(jié)合，可以構(gòu)成壓電式加速度傳感器，壓電式加速度傳感器常見的構(gòu)造型式有基于壓電元件厚度變形的壓縮型和基于剪切變形的剪切型。 c梁式a單端中心壓縮式b挑擔式見講義P166第六章 壓電式傳感器靈敏度：100mV/g 量程：50g 頻率范圍：10%) 分辨率：0.0002g 線性：1% 橫向靈敏度：5% 典型值：3%溫度范圍：-40+120用處：模態(tài)試驗LC0101第六章 壓電式傳感器LC0106 靈敏度：1

25、000mV/g 量程：5g 頻率范圍：10%) 分辨率：0.00002g 重量：200gm 安裝螺紋：M5 mm 線性：1% 橫向靈敏度：5% 典型值：3%溫度范圍：-40+120 用處：超低頻、小g測量第六章 壓電式傳感器二、壓電式力和壓力傳感器 按用處和壓電元件的組成可分為單向力、雙向力和三向力傳感器。 左圖是壓電式壓力傳感器的構(gòu)造圖，它主要由石英晶片、膜片、薄壁管、外殼等組成。石英晶片由多片疊堆放在薄壁管內(nèi)，并由拉緊的薄壁管對石英晶片施加預(yù)載力。感受外部壓力的是位于外殼和薄壁管之間的膜片，它由撓性很好的材料制成。第六章 壓電式傳感器ULT25系列 壓電石英力傳感器 ULT25系列產(chǎn)品可用于測量動態(tài)、短期靜態(tài)的振動和沖擊力，機械構(gòu)造的拉伸和壓縮力。與激振器配合，可以測量和控制激振力。與加速度、速度傳感器配合，可測