壓電式傳感器

1、壓電式傳感器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6.16.2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D(在MKS單位制中即電荷密度)與外應(yīng)力張量T成正比： D =

2、 dT (6-1) 式中 d壓電常數(shù)矩陣。 當外力消失，電介質(zhì)又恢復不帶電原狀；當外力變向，電荷極性隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(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，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，且其應(yīng)變S與外電場強度E成正比： S=dtE （6-2） 式中 dt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壓電材料的

3、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(單晶)壓電陶瓷(多晶半導瓷)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，鋰鹽類壓電和鐵電單晶如鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鍺酸鋰LiGeO3)等材

4、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4BaTiO3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v壓電常數(shù)大v 靈敏度高v 制造工藝成熟v 成形

5、工藝性好v 成本低廉，利于廣泛應(yīng)用v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

6、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(6-1)只適用于各向同性的電介質(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方向性。因此，式(6-1)應(yīng)表示為矢量矩陣形式。 設(shè)有一X0切型的正六面體左旋石英晶片，在三維直

7、角坐標系內(nèi)的力-電作用狀況如圖6.6所示。圖中：T1、T2、T3分別為沿x、y、z向的正應(yīng)力分量(壓應(yīng)力為負) T4、T5、T6分別為繞x、y、z軸的 切應(yīng)力分量(順時鐘方向為負)；、2、3分別為在x、y、z面上的電荷密度(或電位移D)。第二節(jié)第二節(jié) 壓電方程及壓電常數(shù)矩陣壓電方程及壓電常數(shù)矩陣第第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方向的外施應(yīng)力分量(Pa)；ijj方向的應(yīng)力在i方

8、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)654331363534333231262524232221161514121211321TTTTTTdddddddddddddddddd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 363534333231262524232221161514121211dddddddddddddddddddij 對于不同的壓電材料，

9、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321111414111165432102000000000000EEEdddddSSSSSS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)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)，則在此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)，而且力-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

10、有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 相對介電常數(shù)為r，極化面積為A，兩極面間距離(壓電片厚度)為t。將壓電器件視為具有電容Ca的電容器，有 Ca =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

11、件的理想等效電路與電容串聯(lián)的電壓源，如圖6.8(a)所示。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二二實際等效電路實際等效電路圖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

12、感器6.3.26.3.2測量電路測量電路一、電壓放大器 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輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。(1)壓電輸出特性(即放大器輸入特性): 壓電回路輸出特性RjRjFdUt133電壓靈敏度RjRjdFUjKtu1)(33第第6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器幅值233)(1RCRdFUKmtum相位)(2RCarctg(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

13、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iCaFoCCCCAAQU)1 ( 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FOCQU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饋電容有關(guān)，若保持CF數(shù)值不變，輸

14、出電壓正比于輸入電荷量。 當(1A)CF10(CaCcCi)時，認為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜或使用較長的電纜時，不用重新校正傳感器的靈敏度。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：v靈敏度和分辨率高，線性范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠性好，壽命長；v