傳感器第章壓電式

傳感器第章壓電式第一頁(yè)，共81頁(yè)。特點(diǎn):工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，工作可靠。應(yīng)用范圍：各種動(dòng)態(tài)力、機(jī)械沖擊、振動(dòng)測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)、超聲、通信、宇航等領(lǐng)域。壓電加速度計(jì)

壓電陶瓷超聲換能器第二頁(yè)，共81頁(yè)。

各種小巧的壓力傳感器

壓電傳感器的外形

壓力變送器部件

壓力變送器

第三頁(yè)，共81頁(yè)。壓電警號(hào)壓電陶瓷位移器壓電秤重浮游計(jì)第四頁(yè)，共81頁(yè)。4.1壓電效應(yīng)正(順)壓電效應(yīng)：一些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作用而變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷，當(dāng)去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機(jī)械應(yīng)力，這種將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”,又稱為電致伸縮效應(yīng)。FF極化面Q壓電介質(zhì)機(jī)械能｛電能｝正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性第五頁(yè)，共81頁(yè)。壓電元件機(jī)械能電能

自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。第六頁(yè)，共81頁(yè)。壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶第七頁(yè)，共81頁(yè)。外形結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形4.1.1石英晶體的壓電效應(yīng)第八頁(yè)，共81頁(yè)。光軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：光沿該方向通過(guò)沒(méi)有雙折射現(xiàn)象，該方向沒(méi)有壓電效應(yīng)，光學(xué)方法確定。機(jī)械軸（Y軸）：垂直xz面，在電場(chǎng)作用下，該軸方向的機(jī)械變形最明顯。電軸（X軸）：經(jīng)過(guò)晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。第九頁(yè)，共81頁(yè)。沿x方向施加壓力時(shí)，右旋石英的x軸正向帶正電，左旋石英的x軸正向帶負(fù)電第十頁(yè)，共81頁(yè)。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí),正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。此時(shí)正負(fù)電荷重心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶體表面不產(chǎn)生電荷,即呈中性。電偶極矩P=qL,q為電荷量,L為正負(fù)電荷之間距離。第十一頁(yè)，共81頁(yè)。晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負(fù)離子的相對(duì)位置也隨之變動(dòng)。此時(shí)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P3的減小和P1、P2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。當(dāng)作用力方向相反時(shí),電荷的極性也隨之改變。+++---XYP1P2P3第十二頁(yè)，共81頁(yè)。當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí),P1增大,P3、P2減小。在垂直x軸表面上出現(xiàn)電荷,它的極性為x軸正向?yàn)樨?fù)電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時(shí),電荷的極性也隨之改變。第十三頁(yè)，共81頁(yè)。+++---XYP1P2P3如果沿z軸方向施加作用力,因?yàn)榫w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(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十四頁(yè)，共81頁(yè)。4.1.2壓電傳感器的工作原理1.正壓電效應(yīng)工作原理晶體受到x方向的壓力Fx作用，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。由極化理論，在晶體線性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度與應(yīng)力成正比，即極化強(qiáng)度在數(shù)值上等于晶體面上的電荷密度其極間電壓為tbac第十五頁(yè)，共81頁(yè)。2.逆壓電效應(yīng)工作原理在Ux的作用下，晶片沿X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即3.正壓電效應(yīng)的極化電荷方向1)在x軸方向上施加壓縮力時(shí)，右旋石英晶體，在x軸正向出現(xiàn)正電荷。2）在x軸方向施加拉伸力時(shí)，在垂直于x軸的平面上仍會(huì)出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。3）在同一晶片上沿y軸方向作用力，其電荷仍在與x軸垂直的平面上出現(xiàn)。第十六頁(yè)，共81頁(yè)。由上述可知：1)無(wú)論是正壓電效應(yīng)還是逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間成線性關(guān)系；2）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)。3）石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)。tbac第十七頁(yè)，共81頁(yè)。壓電元件在受到力作用時(shí)，在相應(yīng)的表面上產(chǎn)生表面電荷其計(jì)算公式為：σ:單位面積上的作用力dij:壓電常數(shù)q:電荷密度第十八頁(yè)，共81頁(yè)。x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在i面上產(chǎn)生電荷。1、2、3分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的單向應(yīng)力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切應(yīng)力X0°切型石英晶體切片的力——電分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y第十九頁(yè)，共81頁(yè)。壓電常數(shù)矩陣石英晶體壓電常數(shù)矩陣第二十頁(yè)，共81頁(yè)。4.1.3石英晶體的基本變形形式厚度變形（d11)xyzT1T1+-zxyT2T2+-長(zhǎng)度變形（d12)第二十一頁(yè)，共81頁(yè)。面剪切變形厚度剪切變形x(y)y(x)zT1T4(T5)+-T4(T5)xyzT6T6+-體積變形第二十二頁(yè)，共81頁(yè)。壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式厚度受壓型長(zhǎng)度受壓型第二十三頁(yè)，共81頁(yè)。厚度切變型平面切變型體積受壓型第二十四頁(yè)，共81頁(yè)。4.2壓電材料壓電材料分為三大類：壓電晶體（石英），壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛）和新型壓電材料（壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料）。選擇壓電材料的依據(jù)：1.轉(zhuǎn)換性能。（具有較大的壓電常數(shù)）2.機(jī)械性能。3.電性能。（高電阻率和大介電常數(shù)）4.環(huán)境適應(yīng)性。5.時(shí)間穩(wěn)定性。第二十五頁(yè)，共81頁(yè)。4.2.1石英晶體的主要性能具有實(shí)用價(jià)值的壓電材料不需要人工極化沒(méi)有熱釋電效應(yīng)（由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)）介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好居里點(diǎn)溫度達(dá)：5730c壓電材料開(kāi)始喪失壓電性能的溫度性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高第二十六頁(yè)，共81頁(yè)。4.2.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)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(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí),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)。第二十七頁(yè)，共81頁(yè)。壓電陶瓷極化處理在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí),電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),趨向于按外電場(chǎng)方向的排列,從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng),就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)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(chǎng)方向一致時(shí),外電場(chǎng)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(shí)的材料才具有壓電特性。極化方向即外加電場(chǎng)方向，取為Z軸方向。E第二十八頁(yè)，共81頁(yè)。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)如果在陶瓷片上施加一個(gè)與極化方向平行的壓縮力，壓電片產(chǎn)生壓縮變形，使內(nèi)部束縛電荷的間距變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度變小，致使內(nèi)部的束縛電荷變少，導(dǎo)致被吸附在外面電極上的自由電荷有一部分被釋放，呈現(xiàn)放電狀態(tài)。當(dāng)外力消失后，陶瓷片恢復(fù)原狀，使極化強(qiáng)度增大，內(nèi)部束縛電荷增加，導(dǎo)致電極的吸附自由電荷增加，呈現(xiàn)充電狀態(tài)。這種因受力而產(chǎn)生的機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。放電電荷與外力成正比關(guān)系，即第二十九頁(yè)，共81頁(yè)。2）壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)如果在陶瓷片上施加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)方向與極化方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大，壓電陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形。同理，若改變電場(chǎng)方向同極化方向相反，則陶瓷片將沿極化方向產(chǎn)生縮短變形。這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者說(shuō)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。變形與電場(chǎng)之間的關(guān)系為

第三十頁(yè)，共81頁(yè)。分析可見(jiàn)：（1）壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在著電疇，經(jīng)極化處理后被迫取向排列，使內(nèi)部存在剩余極化強(qiáng)度，在外作用（力或電場(chǎng)）下，能使極化強(qiáng)度變化，導(dǎo)致陶瓷出現(xiàn)壓電效應(yīng)。（2）陶瓷的極化電荷是束縛電荷，它們不能自由移動(dòng)，陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極上的自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。

第三十一頁(yè)，共81頁(yè)。4.3壓電傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí),它也是一個(gè)電容器,晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),則其電容量為

式中:s——壓電片的面積;h——壓電片的厚度;εr——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。第三十二頁(yè)，共81頁(yè)。電荷等效電路電壓等效電路QQQ第三十三頁(yè)，共81頁(yè)。電壓靈敏度

電荷靈敏度

它們之間的關(guān)系

第三十四頁(yè)，共81頁(yè)。壓電傳感器的實(shí)際等效電路－壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接,

因此還須考慮連接電纜的等效電容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

等效電壓源

等效電流源第三十五頁(yè)，共81頁(yè)。4.4壓電式傳感器的測(cè)量電路

4.4.1壓電元件結(jié)構(gòu)形式

第三十六頁(yè)，共81頁(yè)。

在實(shí)際應(yīng)用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、四片壓電元件組成在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在連接方法，雙片連接時(shí)：電路串聯(lián)電路并聯(lián)+_U’

_++++++++++++___________++++++++++++____________+_+_U’

+++++++++++_______________________+++++++++++第三十七頁(yè)，共81頁(yè)。串聯(lián);電荷相等電壓相加電容減小并聯(lián)：電壓相等電荷相加電容相加第三十八頁(yè)，共81頁(yè)。

前置電路有兩個(gè)作用，一是放大微弱的信號(hào)，二是阻抗變換；根據(jù)等效電路壓電元件輸出可以是電壓源，也可以是電荷源。因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。與其配套的測(cè)量電路也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式的電路。4.4.2壓電式傳感器的測(cè)量電路

4.4.2.1電壓放大器原理

第三十九頁(yè)，共81頁(yè)。電壓放大器等效電路示意圖簡(jiǎn)化圖第四十頁(yè)，共81頁(yè)。第四十一頁(yè)，共81頁(yè)。理想情況前置放大器實(shí)際輸入電壓與理想輸入電壓的比值為：第四十二頁(yè)，共81頁(yè)。φωτ00901.0UimUam0.51234A.ω=0（靜態(tài)量）時(shí)，Uim/Uam=0（輸入電壓為零）所以不能測(cè)量靜態(tài)量。B.ωτ>>3（高頻情況），Uim/Uam≈1，實(shí)際接近理想，輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)。C.τ一定，ω越高，高頻響應(yīng)越好對(duì)低頻測(cè)量情況：τ一定，ω↓偏差越大所以要求τ要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍第四十三頁(yè)，共81頁(yè)。D.傳感器電壓靈敏度從傳感器電壓靈敏度可見(jiàn)，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時(shí)更換電纜就要求重新標(biāo)定，測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電纜長(zhǎng)度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點(diǎn)。

4.4.2.2電荷放大器原理

為解決電纜分布電容對(duì)傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)差的缺點(diǎn)可采用電荷放大，而且集成運(yùn)放組成的電荷放大器有較好的性能。

電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。利用電容作反饋元件的深度負(fù)反饋的高增益運(yùn)放。第四十四頁(yè)，共81頁(yè)。-kUoCfQa結(jié)論：1)

因U0＝f(Q，Cf)，只與變量Q，Cf有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜電容無(wú)關(guān)，故靈敏度與電纜無(wú)關(guān)。2)當(dāng)Cf=常數(shù)時(shí)，則。3)當(dāng)Cf增大時(shí)，Uo減小，故需選擇合適的Cf值。

（1）理想電荷放大器原理

第四十五頁(yè)，共81頁(yè)。

（2）實(shí)際電荷放大器原理

Rf－kUoCfCiCcCaQ第四十六頁(yè)，共81頁(yè)。結(jié)論：1)電荷放大器的輸出電壓。

2)U0＝f(Q，Cf)，只與變量Q，Cf有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜電容無(wú)關(guān)，但必須滿足兩個(gè)條件:和k→∞，但電纜線不易太長(zhǎng)，否則會(huì)降低信噪比，使低頻特性變壞。4.5壓電傳感器的應(yīng)用第四十七頁(yè)，共81頁(yè)。1．壓電晶體振蕩器；2．壓電加速度計(jì)傳感器；3．壓電式玻璃破碎報(bào)警器；4．血壓測(cè)量；5．壓電換能器，發(fā)射（揚(yáng)聲器）、接收（麥克風(fēng)）、收聽(tīng)器、超聲波換能器；6．新型壓電材料（聚偏二氟乙烯）第四十八頁(yè)，共81頁(yè)。變形方式厚度伸縮：縱向壓電效應(yīng)長(zhǎng)度伸縮：橫向壓電效應(yīng)厚度切變：剪切壓電效應(yīng)長(zhǎng)寬切變：面切壓電效應(yīng)體積壓縮：縱橫向壓電效應(yīng)組合形式結(jié)構(gòu)形狀分：圓形、長(zhǎng)方形、環(huán)形、柱狀等元件數(shù)目分：?jiǎn)尉?、雙晶片和多晶片極性方式分：串聯(lián)、并聯(lián)第四十九頁(yè)，共81頁(yè)。

加速度計(jì)，力傳感器

第五十頁(yè)，共81頁(yè)。壓電式力和壓力傳感器一、力傳感器1、單向力傳感器第五十一頁(yè)，共81頁(yè)。2、雙向力傳感器第五十二頁(yè)，共81頁(yè)。3、三向力傳感器FXFZFY第五十三頁(yè)，共81頁(yè)。第五十四頁(yè)，共81頁(yè)。第五十五頁(yè)，共81頁(yè)。受力分析第五十六頁(yè)，共81頁(yè)。第五十七頁(yè)，共81頁(yè)。二、壓力傳感器

膜片式壓電壓力傳感器：后座墊圈外殼石英晶片導(dǎo)電片傳力塊膜片第五十八頁(yè)，共81頁(yè)。第五十九頁(yè)，共81頁(yè)。壓電式血壓傳感器如圖壓電陶瓷，雙晶片懸梁結(jié)構(gòu)。雙晶片極化方向相反，并聯(lián)相接。在敏感振膜中央上下兩側(cè)各膠粘有半圓柱塑料塊。被測(cè)動(dòng)脈血壓通過(guò)上塑料塊、振膜、下塑料塊傳遞到壓電懸梁的自由端。壓電梁彎曲變形產(chǎn)生壓電式血壓傳感器的電荷輸出。第六十頁(yè)，共81頁(yè)。壓電式玻璃破碎報(bào)警器第六十一頁(yè)，共81頁(yè)。（1）工作原理－結(jié)構(gòu)組成基座殼體彈簧質(zhì)量塊壓電片壓電式加速度傳感器第六十二頁(yè)，共81頁(yè)。壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。測(cè)量時(shí)傳感器基座與試件剛性連接在一起。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，當(dāng)傳感器受振時(shí)，質(zhì)量塊受到與加速度方向相反的力的作用，并作用在壓電元件上。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。傳感器輸出電荷也與加速度成正比。（2）工作原理第六十三頁(yè)，共81頁(yè)。[質(zhì)量塊的絕對(duì)位移x2，激勵(lì)為x1，質(zhì)量塊相對(duì)位移xt]頻響特性－受力分析第六十四頁(yè)，共81頁(yè)。拉氏變換得傳遞函數(shù)為第六十五頁(yè)，共81頁(yè)。（3）壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)1、壓縮型質(zhì)量塊外殼壓電元件基座第六十六頁(yè)，共81頁(yè)。特點(diǎn)：基于厚度變形,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。頻響好（固有頻率高）靈敏度高對(duì)環(huán)境影響（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、聲噪聲）比較敏感第六十七頁(yè)，共81頁(yè)。第六十八頁(yè)，共81頁(yè)。2、剪切型⑴環(huán)型剪切外殼基座質(zhì)量塊壓電元件中心柱第六十九頁(yè)，共81頁(yè)。預(yù)緊環(huán)壓電元件質(zhì)量塊三角中心柱⑵三角剪切型第七十頁(yè)，共81頁(yè)。⑶H剪切型壓電元件質(zhì)量塊第七十一頁(yè)，共81頁(yè)。剪切型的特點(diǎn)受環(huán)境影響小橫向靈敏度小