傳感器應(yīng)用技術(shù)修

傳感器應(yīng)用技術(shù)修第1頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月真空蒸鍍?cè)谡婵帐覂?nèi)，將待蒸發(fā)的材料置于鎢絲制成的加熱器上加熱，當(dāng)真空度抽到0.0133Pa以上時(shí)，加大鎢絲的加熱電流，使材料融化，繼續(xù)加大電流使材料蒸發(fā)，在基底上凝聚成膜。1—真空室2—基底3—鎢絲4—接高真空泵。3.3薄膜應(yīng)變片第2頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月濺射在低真空室中，將待濺射物制成靶置于陰極，用高壓（通常在1000V以上）使氣體電離形成等離子體，等離子中的正離子以高能量轟擊靶面，使待濺射物的原子離開靶面，淀積到陽(yáng)極工作臺(tái)上的基片上，形成薄膜。1—靶2—陰極3—直流高壓4—陽(yáng)極5—基片6—惰性氣體入口7—接真空系統(tǒng)。3.3薄膜應(yīng)變片第3頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4壓電式壓力傳感器壓電式傳感器是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能將測(cè)量量最終變換為力的一些物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。第4頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)第5頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)在自然界中大多數(shù)晶體都具有壓電效應(yīng)，但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究，發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：壓電晶體（如石英晶體）；經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；高分子壓電材料或壓電半導(dǎo)體。第6頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)一、石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體是最常用的壓電晶體之一，它理想的幾何形狀為正六面體晶柱。在晶體學(xué)中可用三根互相垂直的晶軸表示，其中縱向軸Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線且垂直于光軸的x軸稱為電軸；與x軸和z軸同時(shí)垂直的y軸稱為機(jī)械軸。第7頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)石英晶體的三個(gè)晶軸光軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：光沿該方向通過沒有雙折射現(xiàn)象，該方向沒有壓電效應(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。(橫向壓電效應(yīng))電軸（X軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強(qiáng)。（縱向壓電效應(yīng)）第8頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)在X軸方向施加壓力時(shí)，石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX——壓電系數(shù)受力方向和變形不同壓電系數(shù)也不同第9頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時(shí)電荷的大小為：++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXXl、h——晶體切片的長(zhǎng)度和厚度——Y軸方向上受力的壓電系數(shù)第10頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)的物理解釋在不受力的情況下+++---XYP1P2P3第11頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)受到X方向的力—縱向壓電效應(yīng)+++---XYP1P2P3第12頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)受到Y(jié)方向的力—橫向壓電效應(yīng)+++---XYP1P2P3第13頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷與石英晶體不同，前者是人工制造的多晶體壓電材料，而后者是單晶體。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。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)。第14頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)直流電場(chǎng)E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

第15頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。

所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度。－－－－－

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＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖第16頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變，片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，原來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)壓力撤消后，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。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

極化方向F－＋第17頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場(chǎng)方向Ｅ第18頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.1壓電效應(yīng)由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。第19頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電材料一、常用壓電材料1.壓電晶體

①石英晶體②水溶性壓電晶體③鈮酸鋰晶體2.壓電陶瓷

①鈦酸鋇壓電陶瓷②鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷③鈮酸鹽系壓電陶瓷④鈮鎂酸鉛壓電陶瓷3.壓電半導(dǎo)體

①硫化鋅②碲化鎘第20頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、壓電材料的主要特性參數(shù)壓電常數(shù):壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度。(C/N)彈性常數(shù):壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。介電常數(shù):對(duì)于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。3.4.2壓電材料第21頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月機(jī)械耦合系數(shù)：它的意義是，在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根，這是衡量壓電材料機(jī)—電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。電阻:壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。居里點(diǎn)溫度:它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。3.4.2壓電材料第22頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第23頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電材料二、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(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、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。第24頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電材料三、常用壓電材料特點(diǎn)1.石英晶體石英（SiO2）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)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化。第25頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電材料石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。因此在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。第26頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電材料2.壓電陶瓷優(yōu)點(diǎn)：具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)。缺點(diǎn)：居里溫度低，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。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27頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電材料第28頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.2壓電材料3.壓電半導(dǎo)體材料具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。第29頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€(gè)靜電發(fā)生器，如圖(a)。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，如圖(b)。＋＋＋＋――――QQ電極壓電晶體Ca(b)(a)壓電傳感器的等效電路其電容量為：第30頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路因此，壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容器Ca的并聯(lián)電路，如圖(b)。UaQ第31頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路壓電傳感器是一種具有高內(nèi)阻而輸出信號(hào)又很弱的有源傳感器。在進(jìn)行非電量測(cè)量時(shí)，為了提高靈敏度和測(cè)量精度，一般采取多片壓電材料組成一個(gè)壓電敏感元件，并接入高輸入阻抗的前置放大器。第32頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量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，因此還需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。這樣，壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路，如圖所示。壓電傳感器的實(shí)際等效電路（a）電壓源;（b）電荷源

Q第33頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高，而輸出能量較小，因此它的測(cè)量電路通常需要接入一個(gè)高輸入阻抗前置放大器。其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。第34頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路一、電壓放大器第35頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路若壓電元件受正弦力F=Fmsinωt的作用，則其電壓為式中：

Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca；

d——壓電系數(shù)。第36頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為：Ui的幅值Uim為：輸入電壓和作用力之間相位差:電壓靈敏度：第37頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路在理想情況下，傳感器的Ra電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大，即ω(Ca+Cc+Ci)R>>1，那么理想情況下輸入電壓幅值Uim為：令τ=R(Ca+Cc+Ci)，τ為測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)，并令ω0=1/τ，則可得：第38頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路討論：(Uam=dFm/Ca,)ω=0（靜態(tài)量）時(shí)→Uim=0（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無窮大，存在電荷泄漏，所以不能測(cè)量靜態(tài)量ω/ω0>>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關(guān)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越小偏差越大。所以要求τ要大，擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍第39頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路改善低頻特性的措施：式中Cc為連接電纜電容，當(dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí)，Cc也將改變，因而Uim也隨之變化。因此，壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測(cè)量誤差。第40頁(yè)，課件共47頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4.3測(cè)量電路二、電荷放大器電荷放大器常作為壓