08壓電式傳感器1ppt課件

1、第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 貴陽論壇gywoo 壓電方程及壓電常數(shù)矩陣壓電方程及壓電常數(shù)矩陣 1.2 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)及材料壓電效應(yīng)及材料 6.1 6.2 等效電路及測量電路等效電路及測量電路 6.3 壓電式傳感器及其影響因數(shù)壓電式傳感器及其影響因數(shù) 6.4 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)Piezoelectric EffectPiezoelectric Effect） 一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅一些離子型晶體的電介質(zhì)不僅 在電場力作用下，而且在機械力作用

2、在電場力作用下，而且在機械力作用 下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。且其電位移下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象。且其電位移 D(D(在在MKSMKS單位制中即電荷密度單位制中即電荷密度)與外與外 應(yīng)力張量應(yīng)力張量T T成正比：成正比： D = D = dT (6-1) dT (6-1) 式中式中 dd壓電常數(shù)矩陣。壓電常數(shù)矩陣。 當外力消失，電介質(zhì)又恢復不當外力消失，電介質(zhì)又恢復不 帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨 之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)， 或簡稱壓電效應(yīng)?；蚝喎Q壓電效應(yīng)。 第一節(jié)第一節(jié) 壓電效應(yīng)及材料壓電效應(yīng)及材料 第第6章章 壓電式傳感器壓電

3、式傳感器 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 若對上述電介質(zhì)施加電場作用時，若對上述電介質(zhì)施加電場作用時， 同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心 的相對位移而導致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，的相對位移而導致電介質(zhì)產(chǎn)生變形， 且其應(yīng)變且其應(yīng)變S S與外電場強度與外電場強度E E成正比：成正比： S=dtE S=dtE （6-26-2） 式中式中 dtdt逆壓電常數(shù)矩陣。逆壓電常數(shù)矩陣。 這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致 伸縮。伸縮。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電效應(yīng)圖 (a)正壓電效應(yīng)；(b)壓電效應(yīng)的可逆性 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器

4、壓電材料的主要特性參數(shù): 壓電常數(shù) 彈性常數(shù) 介電常數(shù) 機電耦合系數(shù) 電阻 居里點 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電材料壓電材料 壓電晶體壓電晶體( (單晶單晶) ) 壓電陶瓷壓電陶瓷( (多晶半導瓷多晶半導瓷) ) 新型壓電材料新型壓電材料 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電晶體 石英晶體(SiO2) 石英晶體俗稱水晶，有天然和人工 之分。目前傳感器中使用的均是以居里點 為573，晶體的結(jié)構(gòu)為六角晶系的-石 英。其外形如圖所示，呈六角棱柱體。有m、 R、r、s、x共5組30個晶面組成 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 .其他壓電單晶 壓電單晶中除天然和人工石英晶體外，鋰

5、鹽 類壓電和鐵電單晶如鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰 (LiTaO3)、鍺酸鋰LiGeO3)等材料， 也已在傳感 器技術(shù)中日益得到廣泛應(yīng)用，其中以鈮酸鋰為典 型代表，在光電、微聲和激光等器件方面都有重 要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地脆、抗機械和熱沖擊性 差。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電陶瓷 壓電陶瓷是人工多晶鐵電體，原 始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性不具有壓電性， 因此，必須作極化處理，即在一定溫度下 對其施加強直流電場，迫使電疇趨向外電 場方向作規(guī)則排列；極化電場去除后，趨 向電疇基本保持不變，形成很強的剩余極 化，從而呈現(xiàn)出壓電性。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電陶瓷極化 4

6、BaTiO3壓電陶瓷的極化 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電陶瓷的特點 壓電常數(shù)大 靈敏度高 制造工藝成熟 成形工藝性好 成本低廉，利于廣泛應(yīng)用 還具有熱釋電性 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 常用的壓電陶瓷 (1)二元系壓電陶瓷 (2)三元系壓電陶瓷 (3)綜合性能更為優(yōu)越的四元系壓電陶瓷也已經(jīng)研制 成 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 二元系壓電陶瓷 主要包括鈦酸鋇BaTiO3，鈦酸鉛PbTiO3，鋯 鈦酸鉛系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和鈮酸鹽系列 KNbO3-PbNb2O3。其中以鈦酸鋇，尤其以鋯鈦酸鉛 系列壓電陶瓷應(yīng)用最廣。 第第6章章 壓電式傳感器壓電

7、式傳感器 三元系壓電陶瓷 目前應(yīng)用的PMN，它由鈮鎂酸鉛 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3鈦酸鉛PbTiO3-鋯鈦酸鉛PbZrO3 三成分配比而成。另外還有專門制造耐高溫、高 壓和電擊穿性能的鈮錳酸鉛系、鎂碲酸鉛等。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 新型壓電材料 壓電半導體 有機高分子壓電材料 一 某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展 拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄 膜，如聚氟乙烯PVF)等。 二 高分子化合物中摻雜壓電陶瓷 PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 石英晶體的壓電方程石英晶體的壓電方程 應(yīng)指出，壓電效應(yīng)式應(yīng)指出，壓電效應(yīng)式(6-

8、1)(6-1)只適用于只適用于 各向同性的電介質(zhì)材料。對于各向異性的壓各向同性的電介質(zhì)材料。對于各向異性的壓 電材料，方程必須能反映出材料機電特性的電材料，方程必須能反映出材料機電特性的 方向性。因此，式方向性。因此，式(6-1)(6-1)應(yīng)表示為矢量矩陣應(yīng)表示為矢量矩陣 形式。形式。 設(shè)有一設(shè)有一X0X0切型的正六面體左旋切型的正六面體左旋 石英晶片，在三維直角坐標系內(nèi)的力石英晶片，在三維直角坐標系內(nèi)的力- -電作電作 用狀況如圖用狀況如圖6.66.6所示。圖中：所示。圖中：T1T1、T2T2、T3T3分分 別為沿別為沿x x、y y、z z向的正應(yīng)力分量向的正應(yīng)力分量( (壓應(yīng)力為負壓應(yīng)力

9、為負) ) T4T4、T5T5、T6T6分別為繞分別為繞x x、y y、z z軸的軸的 切應(yīng)力切應(yīng)力 分量分量( (順時鐘方向為負順時鐘方向為負) )；、22、33分別分別 為在為在x x、y y、z z面上的電荷密度面上的電荷密度( (或電位移或電位移D)D)。 第二節(jié)第二節(jié) 壓電方程及壓電常數(shù)矩壓電方程及壓電常數(shù)矩 陣陣 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 圖6.6 X00切型石英晶片的力電分布 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 各向異性的石英晶片，單一壓電效應(yīng)： ij= dijTj 式中 i 電效應(yīng)(場強、極化)方向的下標， j 力效應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變)方向的下標， Tj j方向的外施

10、應(yīng)力分量(Pa)；ij j方向的應(yīng)力在i方向的極化強度(或i面上的電荷密 度)(C/m2)； dij j方向應(yīng)力引起i面產(chǎn)生電荷時的壓電 常數(shù)(C/N)。當i=j時，為縱向壓電效應(yīng)；當ij時， 為橫向壓電效應(yīng)。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 任意的多方向的力同時作用下的全壓電效應(yīng) 6 5 4 3 3 1 363534333231 262524232221 161514121211 3 2 1 T T T T T T dddddd dddddd dddddd 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 完全各向異性壓電晶體的壓電特性用壓電常數(shù)矩陣表 示如下 363534333231 26252

11、4232221 161514121211 dddddd dddddd dddddd d ij 對于不同的壓電材料，由于各向異性的程度 不同，上述壓電矩陣的18個壓電常數(shù)中，實際 獨立存在的個數(shù)也各不相同，如X0切型石英晶 體獨立的壓電常數(shù)只有兩個：d11、d14。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 逆壓電方程的壓電常數(shù)矩陣是正壓電方程壓 電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣 3 2 1 11 14 14 11 11 6 5 4 3 2 1 020 00 00 000 00 00 E E E d d d d d S S S S S S 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 結(jié)論：結(jié)論： 壓電晶體的正壓電效應(yīng)

12、和逆壓電效壓電晶體的正壓電效應(yīng)和逆壓電效 應(yīng)是對應(yīng)存在的，哪個方向上有正壓電效應(yīng)是對應(yīng)存在的，哪個方向上有正壓電效 應(yīng)，則在此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)，應(yīng)，則在此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)， 而且力而且力- -電之間呈線性關(guān)系。電之間呈線性關(guān)系。 石英晶體不是在任何方向上都存在壓石英晶體不是在任何方向上都存在壓 電效應(yīng)電效應(yīng) 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 x方向：只需 d11的縱向壓電效應(yīng) 圖(a)、d12的 橫向壓電效應(yīng)圖 (b)和d14的剪切壓 電效應(yīng)圖(c)。 y方向：只有d25和d26的剪切壓電效應(yīng)圖圖 (c)(d)。 z方向：無任何壓電效應(yīng) 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器

13、 6.3.1 6.3.1 等效電路等效電路 一、理想等效電路一、理想等效電路 相對介電相對介電 常數(shù)為常數(shù)為rr，極化，極化 面積為面積為A A，兩極面，兩極面 間距離間距離( (壓電片厚壓電片厚 度度) )為為t t。將壓電器。將壓電器 件視為具有電容件視為具有電容CaCa 的電容器，有的電容器，有 Ca Ca =0rA/t=0rA/t 第三節(jié)第三節(jié) 等效電路和測量電路等效電路和測量電路 圖6.8 壓電器件的理想等 效電路 (a)電壓源；(b) 電荷源 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 當需壓電器件輸出電壓時，可把它 等效成一壓電器件的理想等效電路與 電容串聯(lián)的電壓源，如圖6.8(a)所

14、示。 在開路狀態(tài)，其輸出端電壓和電壓靈 敏度分別為 Ua=Q/Ca K=Ua/F= Q/CaF 當需要壓電器件輸出電荷時，則可 把它等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷 源，如圖6.8(b)所示。同樣，在開路狀 態(tài)，輸出端電荷 Q=CaUa 式中Ua即極板電荷形成的電壓。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 這時的輸出電荷靈敏度為 Kq=Q/F=UaCa/F Ku與Kq之間有如下關(guān)系： Ku =Kq/Ca 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 二實際等效電路二實際等效電路 圖6.9 壓電傳感器等效電路和測量電路 (a)電壓源；(b)電荷源 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 6.3.26.3.2測

15、量電路測量電路 一、電壓放大器一、電壓放大器 電壓放大器又稱阻抗變換器。它的主要作電壓放大器又稱阻抗變換器。它的主要作 用是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低用是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低 輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。 (1)(1)壓電輸出特性壓電輸出特性( (即放大器輸入特性即放大器輸入特性):): 壓電回路輸出特性壓電回路輸出特性 Rj Rj FdU t 1 33 電壓靈敏度 Rj Rj d F U jK t u 1 )( 33 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 幅值 2 33 )(1RC Rd F U K m t

16、 um 相位 )( 2 RCarctg (2)動態(tài)特性 壓電器件與測量電路相聯(lián)的動 態(tài)特性曲線 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 高頻特性 當時，被測量頻率愈高(實際只要 3)，則回路的輸出電壓靈敏度就愈接近理想 情況，壓電器件的高頻響應(yīng)特性好。 低頻特性 當時，被測量的頻率愈低，動態(tài) 誤差=(k-1)100%也愈大，同時相位角的誤差 也愈大。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 二、電荷放大器 電荷放大器實質(zhì)上是負反饋放大器，基 本電路如圖所示。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 等效電路如下圖： 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 iCaF o CCCCA AQ U )1 (

17、當放大器開環(huán)增益和輸入電阻、反饋電阻相當 大時，輸出電壓： Ca 傳感器壓電元件的電容；Cc電纜電容； Ci 放大器輸入電容；CF放大器反饋電容 A足夠大時 F O C Q U 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 總結(jié)總結(jié): : 電荷放大器的輸出電壓僅于輸入電容量和反電荷放大器的輸出電壓僅于輸入電容量和反 饋電容有關(guān)，若保持饋電容有關(guān)，若保持CFCF數(shù)值不變，輸出電數(shù)值不變，輸出電 壓正比于輸入電荷量。壓正比于輸入電荷量。 當當(1(1A)CFA)CF10(Ca10(CaCcCcCi)Ci)時，認為傳時，認為傳 感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜 或使用

18、較長的電纜時，不用重新校正傳感或使用較長的電纜時，不用重新校正傳感 器的靈敏度。器的靈敏度。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 為得到必要測量精度，CF的溫度和時間穩(wěn)定性要 好，實際電路中CF的容量做成可選擇的。 電容負反饋線路在直流工作時，相當于開路狀態(tài)， 對電纜噪聲較敏感，放大器零漂也較大，為減小 零漂，提高工作穩(wěn)定性，一般在反饋電容兩端并 聯(lián)一個電阻RF(10101014)提高直流反饋。 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 6.4.1 6.4.1 壓電式傳感器壓電式傳感器 一、壓電式傳感器應(yīng)用特點：一、壓電式傳感器應(yīng)用特點： 靈敏度和分辨率高，線性范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度和分辨率高，線性范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、 結(jié)實，可靠性好，壽命長；結(jié)實，可靠性好，壽命長； 體積小重量輕，剛度強度、承載能力和測量體積小重量輕，剛度強度、承載能力和測量 范圍大，頻帶寬，動態(tài)誤差小范圍大，頻帶寬，動態(tài)誤差小 易于大量生產(chǎn)，便于選用，使用和校準方便，易于大量生產(chǎn)，便于選用，使用和校準方便， 并適用于近測、遙測。并適用于近測、遙測。 第四節(jié)第四節(jié) 壓電式傳感器及其壓電式傳感器及其 影響因數(shù)影響因數(shù) 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式加速度傳感器 壓縮型 剪切型 復合型 第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實現(xiàn)力 電轉(zhuǎn)換的傳感器，