12-53壓電式傳感器課件

第五章電動(dòng)勢(shì)式傳感器原理與應(yīng)用原理：將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)的裝置主要內(nèi)容5.1磁電式傳感器5.2霍爾傳感器5.3壓電式傳感器（壓電效應(yīng)）5.3.1壓電式傳感器的工作原理5.3.2壓電元件的等效電路及信號(hào)測(cè)量電路5.3.3壓電式傳感器的應(yīng)用5.3壓電式傳感器正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些物質(zhì)在沿一定方向受到壓力或拉力而發(fā)生改變時(shí)，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：在壓電材料的極化方向上，如果加以交流電壓，壓電片能產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，即壓電片在電極方向上有伸縮的現(xiàn)象，壓電材料的這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電材料：石英，壓電陶瓷電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)5.3.1壓電式傳感器的工作原理1.石英晶體的壓電效應(yīng)5.3.1壓電式傳感器的工作原理(a)晶體外形；(b)切割方向；(c)晶片

石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。5.3.1壓電式傳感器的工作原理1.石英晶體的壓電效應(yīng)縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過(guò)六面體棱線并垂直于光軸的軸x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。光軸電軸機(jī)械軸5.3.1壓電式傳感器的工作原理通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。5.3.1壓電式傳感器的工作原理單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。圖中“＋”代表硅離子Si4+，“－”代表氧離子O2-。5.3.1壓電式傳感器的工作原理硅氧離子的排列示意圖(a)xy(b)+xy++--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。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因?yàn)镻=qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，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，呈電中性。5.3.1壓電式傳感器的工作原理在y、z方向上的分量為:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力（Fx<0）作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之發(fā)生變化，如圖所示。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們?cè)趚

方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--5.3.1壓電式傳感器的工作原理當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（Fx

＞0）作用時(shí)，其變化情況如圖5-3（c）所示。電偶極矩P1增大，P2、P3減小，此時(shí)它們?cè)趚、y、z三個(gè)方向上的分量為

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----5.3.1壓電式傳感器的工作原理若從晶體上沿y方向切下一塊如下圖所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用力

時(shí)，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Qx，其大小為式中：——x方向受力的壓電系數(shù)；——作用力。若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加作用力

，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy，其大小為：5.3.1壓電式傳感器的工作原理①當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；②沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的；④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)；⑤無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間皆呈線性關(guān)系。5.3.1壓電式傳感器的工作原理壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。壓電陶瓷在未進(jìn)行極化處理時(shí)，不具有壓電效應(yīng)；經(jīng)過(guò)極化處理后，它的壓電效應(yīng)非常明顯，具有很高的壓電系數(shù)，為石英晶體的幾百倍。石英晶體是單晶體結(jié)構(gòu)2.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)5.3.1壓電式傳感器的工作原理壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電機(jī)理與壓電晶體不同。壓電陶瓷具有與鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)類似的電疇結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的極化5.3.1壓電式傳感器的工作原理5.3.1壓電式傳感器的工作原理壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，材料的內(nèi)部晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向。無(wú)電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中分布雜亂分布，極化相互抵消，呈中性。5.3.1壓電式傳感器的工作原理圖

壓電陶瓷的極化(a)未極化;(b)極化后

施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向外電場(chǎng)方向排列。外電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到飽和程度時(shí)，所有的電疇與外電場(chǎng)一致。外電場(chǎng)去掉后，電疇極化方向基本不變，剩余極化強(qiáng)度很大。所以，壓電陶瓷極化后才具有壓電特性，未極化時(shí)是非壓電體。5.3.1壓電式傳感器的工作原理陶瓷片極化

剩余極化強(qiáng)度束縛電荷自由電荷自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)值相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外的作用，因此陶瓷片對(duì)外不表現(xiàn)極性。

5.3.1壓電式傳感器的工作原理如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的外力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強(qiáng)度也變小。原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)外力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象就是正壓電效應(yīng)。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

F－＋5.3.1壓電式傳感器的工作原理晶體極化后，沿極化方向（垂直極化平面）作用力時(shí)，引起剩余極化強(qiáng)度變化，在極化面上產(chǎn)生電荷，電荷量的大小與外力成正比關(guān)系：d33——壓電陶瓷的縱向壓電常數(shù)，d33

比d11、d12大的多所以，壓電陶瓷制作傳感器靈敏度比壓電晶體高。5.3.1壓電式傳感器的工作原理5.3.1壓電式傳感器的工作原理5.3.2壓電元件的等效電路及信號(hào)測(cè)量電路5.3.3壓電式傳感器的應(yīng)用5.3壓電式傳感器

壓電傳感器在受外力作用時(shí)，在兩個(gè)電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時(shí)它相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為ε0為真空介電常數(shù)；ε為壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)；h為壓電元件的厚度；S為壓電元件極板面積。1.壓電元件的等效電路5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（一）等效電路當(dāng)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(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無(wú)窮大)U為等效電路形式電壓源與電容串聯(lián)電荷源與電容并聯(lián)5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（一）等效電路5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（一）等效電路+_U’_++++++++++++___________++++++++++++____________電路串聯(lián)+_+_U’電路并聯(lián)+++++++++++_______________________+++++++++++C串=C/2，U串=2U，Q串=QC并=2C，U并=U，Q并=2Q5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（一）等效電路（二）信號(hào)測(cè)量電路q＝UaCaCaqCaUU＝q/Ca如果使受力產(chǎn)生的電壓U長(zhǎng)期保存下來(lái)，需要：外電路負(fù)載無(wú)窮大，內(nèi)部無(wú)漏電否則：電路以時(shí)間常數(shù)RC按指數(shù)規(guī)律放電。測(cè)量變化頻率很低的參數(shù)時(shí)：保證負(fù)載無(wú)窮大，保證時(shí)間常數(shù)RC很大，使漏電造成的電壓很小，誤差不顯著。5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（二）信號(hào)測(cè)量電路使壓電傳感器測(cè)量誤差小到一定數(shù)值內(nèi)，要求其負(fù)載電阻必須有很大的數(shù)值。在壓電傳感器輸出端接入高輸入阻抗的前置放大器后再接其他電路。前置放大器的兩個(gè)作用：（1）放大壓電傳感器的微弱信號(hào)（2）把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出。前置放大器的形式：電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（1）電壓放大器Ca：傳感器的電容Ra：傳感器的漏電阻Cc：連接電纜的等效電容Ri：放大器的輸入電阻Ci：放大器的輸入電容5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路前置放大器的輸入電壓為壓電元件所受作用力在力F作用下，產(chǎn)生的電荷為則寫成復(fù)數(shù)形式5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路前置放大器的輸入電壓為輸入電壓的幅值當(dāng)5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（1）電壓放大器結(jié)論：（A）放大器的輸出電壓與作用力F的頻率無(wú)關(guān)，具有較好的高頻響應(yīng)特性。（B）改變壓電傳感器的引線電纜長(zhǎng)度時(shí)，其電纜電容CC的變化將引起放大器輸入信號(hào)的變化。因此，在測(cè)量中通常電纜長(zhǎng)度需固定，否則產(chǎn)生測(cè)量誤差。5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（C）電壓靈敏度靈敏度與電路電容大小成反比關(guān)系。增大放大器的內(nèi)阻Ri（降低電容），滿足上述條件，并可提高電壓靈敏度。放大器的輸入電阻越大，測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)越大，傳感器的低頻響應(yīng)也就越好。壓電式傳感器在與電壓放大器配合使用時(shí)，連接電纜不能太長(zhǎng)。電纜長(zhǎng)，電纜電容Cc就大，電纜電容增大必然使傳感器的電壓靈敏度降低。5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（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忽略電阻的分流作用放大器反饋電荷U5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路U5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路(A)放大器的輸出電壓正比于信號(hào)Q，線性轉(zhuǎn)換(B)靈敏度靈敏度大小僅取決于反饋電容的大?。ǚ糯蟊稊?shù)很大時(shí)）與電壓放大器不同，電纜電容與放大器輸入電容不會(huì)對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響，故電纜引線長(zhǎng)度變化不會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差U5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路（C）放大倍數(shù)對(duì)測(cè)量精度的影響5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路 例題： 某壓電式壓力傳感器為兩片石英晶片并聯(lián)，每片厚度t=0.2mm，圓片半徑r=1cm，，x方向壓電系數(shù)為d11=2.31×10-12C/N。當(dāng)0.1MPa壓力垂直作用與PX平面時(shí)，求傳感器輸出電荷q和電極間電壓U的值。5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路5.3.1壓電式傳感器的工作原理5.3.2等效電路及信號(hào)測(cè)量電路5.3.3壓電傳感器的應(yīng)用5.3壓電式傳感器（1）

壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器的原理簡(jiǎn)圖。它由引線1、殼體