《壓電式傳感器》課件

§6.1

壓電效應(yīng)

§6.2壓電傳感器的等效電路與測(cè)量電路

§6.3壓電傳感器的應(yīng)用

第六章壓電式傳感器

2§6.1.1壓電效應(yīng)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(chēng)為順壓電效應(yīng)，又稱(chēng)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(chēng)“逆壓電效應(yīng)”,又稱(chēng)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

36.1.2石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體是各向異性晶體外形規(guī)則xyz

4石英晶體的三個(gè)晶軸光學(xué)軸（基準(zhǔn)軸，Z軸）：該方向沒(méi)有壓電效應(yīng)。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)。

5石英晶體的幾何切型：在晶體坐標(biāo)中取某一方位的切割

6幾何切型的表示方法：切型代號(hào)：表示原始方位晶片旋轉(zhuǎn)角：從正端看，逆時(shí)針為+，順時(shí)針為-旋轉(zhuǎn)軸：例如：（xytl)+50/(-500)

7石英晶體的基本切型X切族：厚度方向在x軸，長(zhǎng)度方向平行于y軸Y切族：厚度方向在y軸，長(zhǎng)度方向平行于x軸xyzzyx

8例1：（yxl)+35015’(AT切型）xyzy’z’

9例2（xytl)+50/(-500)(NT切型）：xyzy’z’x’’z’’

10石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理電偶極矩P=qL,q為電荷量,L為正負(fù)電荷之間距離。

11+++---XYP1P2P3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。

12受到X方向的力—縱向壓電效應(yīng)+++---XYP1P2P3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。

13受到Y(jié)方向的力—橫向壓電效應(yīng)+++---XYP1P2P3當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí),P3增大,P1、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。

14受到Z方向的力—沒(méi)有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+++---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)。

16壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算1、壓電效應(yīng)的表達(dá)式：Tj:j方向的應(yīng)力dij:j方向的力使得i面產(chǎn)生電荷的壓電常數(shù)σij:j方向的力在i面產(chǎn)生的電荷密度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)σij=dijFj

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y

18壓電特性的矩陣表示

19壓電特性矩陣的說(shuō)明：表示壓電元件的能量轉(zhuǎn)換方式dij的大小表示壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱若矩陣中某一dij=0,則表示該方向上沒(méi)有壓電效應(yīng)是選擇轉(zhuǎn)換元件、確定壓電效應(yīng)產(chǎn)生方向、轉(zhuǎn)換效率的重要依據(jù)

202、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷計(jì)算

21㈠在x面上產(chǎn)生電荷：⑴在T1作用下，產(chǎn)生厚度變形（縱向壓電效應(yīng)）

22⑵在T2作用下，產(chǎn)生長(zhǎng)度變形（橫向壓電效應(yīng)）

23⑶在T3作用下，沒(méi)有壓電效應(yīng)

24⑷在剪切應(yīng)力T4、T5、T6作用下：

25在x面上產(chǎn)生電荷：

26㈡在y面上產(chǎn)生電荷

27㈢在Z面上產(chǎn)生電荷

28石英晶體的壓電方程

306.1.3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)。

31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陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，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(lái)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，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。

陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋正壓電效應(yīng)示意圖F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向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。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，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。——正壓電效應(yīng)。若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即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，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖Ｅ電場(chǎng)方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋

35壓電陶瓷壓電方程

37§6.1.4壓電材料壓電晶體壓電陶瓷高分子壓電材料有天然也有人工的

382、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)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

39二、壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）：最早使用的壓電陶瓷材料。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍,但使用溫度較低,最高只有70℃,溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。鋯鈦酸鉛（PZT）：目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列）,它是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。性能遠(yuǎn)優(yōu)于鈦酸鋇。鈮酸鋰單晶：

40三、聚偏二氟乙烯（PVF2)壓電常數(shù)比PZT大十幾倍柔性和加工性能好聲阻抗與水、人體肌肉接近熱穩(wěn)定性好

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42§6.2.1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

A——壓電片的面積;d——壓電片的厚度;εr——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)。

43電荷等效電路電壓等效電路

44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Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra,

45§6.2.2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)高輸入阻抗的前置放大器，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。一、電壓放大器Ra:壓電元件漏電阻Ce連接電纜電容Ri、Ci放大器輸入阻抗、電容KUaCaRaCeCiRi

46KUaCaRC

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50理想情況下放大器輸入電壓幅值為：

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52φωτ00901.0UsrmUam0.51234

53討論：ω=0（靜態(tài)量）時(shí)，Usrm/Uam=0（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無(wú)窮大，存在電荷泄漏，所以不能測(cè)量靜態(tài)量ωτ>>3（高頻情況），Usrm/Uam≈1，實(shí)際接近理想輸入電壓與作用力頻率無(wú)關(guān)τ一定，ω越高，高頻響應(yīng)越好