自動檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)-第八章-副本

第8章壓電式傳感器壓電效應(yīng)：對某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)λ┘訅毫r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)為不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場時，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生變形，當(dāng)外電場撤離時，變形也隨著消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。2023/2/62第8章壓電式傳感器★

利用電介質(zhì)受力變形，內(nèi)部產(chǎn)生的極化現(xiàn)象★去掉外力后，電荷消失后狀態(tài)復(fù)原★

作用力相反，電荷極性也發(fā)生變化逆壓電效應(yīng)：

當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場時，這些電介質(zhì)發(fā)生形變。（電致伸縮效應(yīng)）正壓電效應(yīng)：2023/2/632、壓電效應(yīng)方程應(yīng)力

T1、T2、T3

軸向正應(yīng)力（拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)）T4、T5、T6

繞軸切應(yīng)力

(逆時針方向為正)

σ1、σ2、σ3在垂直于xyz軸表面上的電荷密度2023/2/64單一應(yīng)力作用下的壓電效應(yīng)dij為j方向應(yīng)力引起i面產(chǎn)生的電荷時的壓電常數(shù)單位：庫侖/牛頓Tj－單位為帕σi

－庫侖/米2

2023/2/65縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)面切壓電效應(yīng)剪切壓電效應(yīng)i=ji≠jj－i＝3j－i≠3應(yīng)力⊥電荷面應(yīng)力∥電荷面應(yīng)力面∥電荷面應(yīng)力面⊥電荷面Ti為軸向應(yīng)力（T1~T3）Ti為切向應(yīng)力（T4~T6）+--++-+-單一作用力下的壓電效應(yīng)有以下四種類型2023/2/66在多應(yīng)力下的壓電效應(yīng)電荷產(chǎn)生面i上的總電荷密度dij的可能值2023/2/673、力——電荷轉(zhuǎn)換公式電荷產(chǎn)生面積Si電荷量Qi在j方向受力面積Sj在j方向受外力Fj

2023/2/68對于縱向壓電效應(yīng)對于橫向壓電效應(yīng)i≠j2023/2/69二、壓電材料類型：壓電晶體(單晶體)如石英晶體壓電陶瓷(多晶陶瓷)新型壓電材料（壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子）1、石英晶體材料特點(diǎn)：1）晶體各個方向的特性不相同

2）Z軸方向沒有壓電效應(yīng)

3）X軸面壓電效應(yīng)最強(qiáng)

4）Y軸方向機(jī)械變形最大2023/2/610石英晶體

石英晶體化學(xué)式為SiO2,是單晶體結(jié)構(gòu)。圖表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個正六面體。建立晶體學(xué)中的空間坐標(biāo)系2023/2/611Z軸為中性軸(光軸):對稱軸沿該方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)x軸為電軸:縱向壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)最強(qiáng)y軸為機(jī)械軸:橫向壓電效應(yīng)，沿該軸產(chǎn)生的機(jī)械變形最明顯坐標(biāo)系壓電晶體切片2023/2/612Oyzxmmm壓電常數(shù)矩陣d11=2.31×10-12(C/N)d14=0.74×10-12(C/N)石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)石英晶體受壓力或拉力時，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，電荷的極性如圖所示。晶片受力方向與電荷極性的關(guān)系2023/2/614正常情況下石英體中正負(fù)電荷處于平衡，外部呈中性。不受力yxyx晶體在x方向受力晶體在y方向受力正負(fù)電荷產(chǎn)生移動，相對位置發(fā)生變化出現(xiàn)帶電現(xiàn)象。FyFyFxFx石英晶體壓電模型2023/2/615P1P2P3當(dāng)石英晶體未受外力作用時,正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。如圖所示。xy石英晶體壓電模型2023/2/616P1P2P3

當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時,晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)離子的相對位置也隨之變動。xy石英晶體壓電模型2023/2/617P1P2P3

此時正負(fù)電荷重心不再重合,電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零xy石英晶體壓電模型2023/2/618P1P2P3++++++++++++

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xy石英晶體壓電模型2023/2/619P1P2P3++++++++++++

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電偶極矩在x方向上的分量由于P1的減小和P2、P3的增加而不等于零,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。xy石英晶體壓電模型2023/2/620P1P2P3xy當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時,晶體的變形如圖所示石英晶體壓電模型2023/2/621P1P2P3xy石英晶體壓電模型2023/2/622P1P2P3---------++++++++xy

P1增大,P2、P3

減小。在x軸上出現(xiàn)電荷,它的極性為x軸正向為負(fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。石英晶體壓電模型2023/2/623如果沿z軸方向施加作用力，因為晶體在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，晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體壓電模型2023/2/624

2、壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場。在無外電場作用時,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)，因此在一定溫度的條件下進(jìn)行極化處理是必不可少的步驟。2023/2/625壓電陶瓷—極化處理后的人工多晶鐵電體伸長剩余伸長極化前極化時極化后電疇無序排列電疇有序排列電疇基本有序2023/2/626在陶瓷上施加外電場時,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動,趨向于按外電場方向的排列,從而使材料得到極化。外電場愈強(qiáng),就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。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,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,這時的材料才具有壓電特性。

壓電陶瓷2023/2/627當(dāng)陶瓷材料（剩余極化很強(qiáng)）受到外力作用時,電疇的界限發(fā)生移動,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。電荷量的大小與外力成正比關(guān)系:q=d33F式中:d33——

壓電陶瓷的壓電系數(shù);F——作用力。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)：2023/2/628壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多（約為石英的50倍）,所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。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)也隨時間變化,從而使其壓電特性減弱。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,它是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成，有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。2023/2/629壓電常數(shù)：壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，關(guān)系到壓電輸出的靈敏度彈性系數(shù)：材料的彈性常數(shù)，決定著器件的固有頻 率的動態(tài)特性介電常數(shù)：固有電容與介電常數(shù)有關(guān)電阻：絕緣電阻，可減少電荷泄漏，改善低頻特性居里點(diǎn)：材料開始喪失壓電特性的溫度,石英573°3、壓電材料的主要特性：如何選何用合適的壓電材料（1）轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或較大的壓電系數(shù)。壓電系數(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）機(jī)械性能：作為受力元件，壓電元件應(yīng)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較大的機(jī)械剛度。（3）電性能：具有較高的電阻率和大的介電常數(shù)。（4）溫度和濕度穩(wěn)定性：具有較高的居里點(diǎn)。（5）時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。2023/2/631三、壓電元件1、等效電路壓電元件的兩電極間形成一個電容e—壓電陶瓷或石英晶體的介電常數(shù)s—極板面積h—壓電元件厚度當(dāng)受外力作用時，產(chǎn)生電荷Q電荷等效：Q＝CaUa電壓等效：2023/2/632↑QCaQ=CaUa↑Ua電荷等效電路電壓等效電路當(dāng)不受外力時Q＝0，Ua＝02023/2/633

＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－1）串聯(lián)

串聯(lián)使壓電傳感器時間常數(shù)減小，電壓靈敏度增大，適合于電壓輸出、高頻信號測量場合。2）并聯(lián)

并聯(lián)使壓電傳感器時間常數(shù)增大，電荷靈敏度增大，適合于電荷輸出、低頻信號測量場合。

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＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－2、壓電元件的串并聯(lián)多片壓電元件的組合34四、測量電路1、壓電傳感的等效電路

測量電路需接一個高輸入阻抗的前置放大電路。該放大器有電壓放大器和電荷放大器。實際等效電路壓電元件的Ca,Ra,電纜的Cc前置放大器的Ri,Ci2023/2/635可簡化為定義電流2、電壓放大器2023/2/636Z1＝R∥C＝電壓放大增益輸出電壓2023/2/637：電荷靈敏度d因為所以轉(zhuǎn)換靈敏度具有一階高通濾波特性2023/2/6383、電荷放大器Z2＝RF∥CF＝減小零漂理想運(yùn)放條件下，R和C兩端電壓均為0，I全部流過Z22023/2/639輸出電壓固有頻率也具有一階高通濾波特性靈敏度只與CF有關(guān)多片壓電元件的組合壓電式傳感器應(yīng)用舉例1．壓電式壓力傳感器被測力F通過上蓋使壓電晶片沿電軸方向受壓力作用，便使晶片產(chǎn)生電荷，負(fù)電荷由片形電極（負(fù)極）輸出，正電荷與上蓋和底座連接。2．壓電式加速度傳感器當(dāng)加速度傳感器與被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，慣性力是加速度的函數(shù)，F(xiàn)=ma慣性力F作用