壓電式傳感器 (5)講稿

1、關(guān)于壓電式傳感器 (5)第一張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月一、壓電效應(yīng) 極化現(xiàn)象：是指原來不帶電的介質(zhì)，在某種條件下，其表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。 順（正）壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)沿著一定方向?qū)ζ涫┘恿Χ顾冃螘r(shí)，由于內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其兩表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為順壓電效應(yīng)。作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：順壓電效應(yīng)的逆過程，對某些電介質(zhì)施加一定的變電場，電介質(zhì)本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離后，變形也隨著消失的現(xiàn)象。 具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。 第二張，PPT共二十三頁，

2、創(chuàng)作于2022年6月1、石英晶體的壓電效應(yīng)1)晶體結(jié)構(gòu) 石英晶體是一個(gè)六角形晶柱，共有30個(gè)晶面。在晶體學(xué)中用三根互相垂直的軸來表示，稱為晶軸。Z-Z軸為光軸，它經(jīng)過六面體的棱線，垂直于光軸的XX軸稱為電軸，它通過六面體相對的兩個(gè)棱線。與X、Z軸同時(shí)垂直的YY軸稱為機(jī)械軸，它垂直于兩個(gè)相對的晶柱棱面。第三張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2)壓電特性 石英是一種各向異性晶體，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。因此應(yīng)根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。 第四張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月縱向壓電效應(yīng) 沿電軸X施加力，產(chǎn)生的電荷

3、位于與電軸X垂直的晶面上。 產(chǎn)生的電荷為： qxxdxxFx qxx為產(chǎn)生的電荷 dxx為縱向壓電系數(shù) Fx為沿電軸X方向施加的壓力。 (下標(biāo)表示電荷所在面的軸向及施加作用力的方向)ZYXcab第五張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月橫向壓電效應(yīng)沿機(jī)械軸Y施力，產(chǎn)生的電荷仍位于與X垂直的晶面上。同一晶片上橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為 qxy為產(chǎn)生的電荷 dxy為橫向壓電系數(shù) FY為沿機(jī)械軸Y方向施加的壓力。因dxydxx(石英晶體的對稱性) ，故有ZYXcab第六張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月3)石英晶體的壓電機(jī)理 在一個(gè)晶體單元組中，有三個(gè)硅離子和六個(gè)氧離子，將硅離子與2個(gè)氧離

4、子分別等效為、。其中Si4+及2O2-分布在正六邊形的頂角上，形成3個(gè)大小相等，互成120o交角的電偶極矩P1、P2和P3，Pql，其方向從負(fù)電荷指向正電荷，是矢量。不受力時(shí)，P1P2P30，呈電中性。 當(dāng)受X軸方向壓力時(shí)，P1P2P30，即為縱向壓電效應(yīng)。當(dāng)受Y軸方向壓力時(shí)，P1P2P30，即橫向壓電效應(yīng)。 當(dāng)受Z軸方向作用力時(shí)，硅離子與氧離子是對稱平移，正負(fù)電荷中心始終重合，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第七張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2、壓電陶瓷的壓電現(xiàn)象 壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，鐵電體具有剩余極化的性質(zhì)，它有電疇結(jié)構(gòu)。如：鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等。 電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，有一定的極化方

5、向（即電偶極矩有一定方向）。鐵電體內(nèi)部的電疇無規(guī)則排列，使得它們的極化效應(yīng)互相抵消，故在原始狀態(tài)，壓電陶瓷不具有壓電效應(yīng)。第八張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 在一定溫度條件下，對壓電陶瓷加以強(qiáng)電場，此時(shí)電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨于外電場的方向排列，材料得以極化。 第九張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 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，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)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，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

6、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，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。 對于壓電陶瓷，通常將它的極化方向作為Z軸。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于Z軸的表面上將會出現(xiàn)電荷。 q = dzzF dzz壓電系數(shù)第十張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月二、壓電材料 選取合適的壓電材料是壓電式傳感器的關(guān)鍵，一般應(yīng)考慮以下主要特性進(jìn)行選擇：1）具有較大的壓電常數(shù)。2）壓電元件的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大并具有較高的固有振動頻率。3）具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響。4）具有較高的居里點(diǎn)。所謂居里點(diǎn)是指壓電性能破壞時(shí)的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)

7、。居里點(diǎn)高可得到較寬的工作溫度范圍。5）壓電材料的壓電特性不隨時(shí)間蛻變，有較好的時(shí)間穩(wěn)定性。第十一張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：1、石英晶體； 2、壓電陶瓷；3、高分子壓電材料：典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。 第十二張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月三、等效電路 1、等效電路 壓電片相當(dāng)于一個(gè)平板電容器。CaS/d。使用時(shí)壓電片可以等效為電荷源與電壓源兩種等效電路。 壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時(shí)，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。第十三張

8、，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2、壓電晶片的連接方式 由于外力作用而使壓電材料上產(chǎn)生的電荷，只有在無泄漏的情況下才會長期保存，故需要測量電路具有無窮大的輸入阻抗實(shí)際上這是不可能的，故其不宜做靜態(tài)測量，只宜作動態(tài)測量。 實(shí)際使用時(shí)，可用多片壓電晶片粘貼在一起使用，接法有串聯(lián)、并聯(lián)兩種。并聯(lián)接法輸出電荷大，但本身電容大(C =Q /U)，時(shí)間常數(shù)大，只適于測量低頻信號，并以電荷作為輸出的情況。串聯(lián)接法輸出電壓高，電容小，適于以電壓輸出的信號和測量電路輸入阻抗很高的情況。 使用壓電傳感器時(shí)應(yīng)注意1、壓電晶片應(yīng)有一定預(yù)應(yīng)力，以保證全面均勻接觸2、壓電陶瓷的壓電常數(shù)會隨著時(shí)間的增加而減小，故應(yīng)

9、定期進(jìn)行靈敏度校正，石英晶體則無需校正。 第十四張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月四、測量電路 壓電傳感器本身內(nèi)阻抗很高，而輸出的能量非常微弱，故其測量電路通常需要有一個(gè)高輸入阻抗的前置放大級作為阻抗匹配，后方可采用的放大、檢波、指示等電路。 壓電式傳感器的前置電壓放大器有兩個(gè)作用：一)把壓電傳感器的高輸出阻抗變換成低阻抗輸出二)放大壓電傳感器輸出的弱信號。 第十五張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月1、電壓放大器（阻抗變換器 )C=CC+Ci+Ca 若壓電傳感器受力為F=Fmsint，則壓電元件上產(chǎn)生的電壓第十六張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 由上式可見，0時(shí)即靜態(tài)

10、，Ui0，不適合靜態(tài)測量。當(dāng)R1時(shí)，放大器輸入電壓大小為： 由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與被測頻率無關(guān)，當(dāng)改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時(shí)，CC將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。 經(jīng)過放大器后，輸出電壓與U i成正比。第十七張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2、電荷放大器 電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。下圖所示電荷放大器實(shí)際上是一個(gè)具有反饋電容的高增益運(yùn)算放大器。忽略Ra、Ri及Rf的影響，有第十八張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 一般情況下，有K1，且(1+K)CfCa+Ci+CC，此時(shí)放大器輸出電壓可以表示為：UO=Q/Cf 即：電荷放大器的輸出電壓僅與產(chǎn)生的電荷量及反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素對靈敏度的影響可以忽略。電荷放大器的靈敏度為：K1Cf 第十九張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月五、應(yīng)用1、測力傳感器第二十張，PPT共二十三頁，創(chuàng)作于2022年6月2、加速度傳感器 (a) 壓縮式壓電加速度傳感器。這是目前最常見的一種。結(jié)構(gòu)簡單,裝配較為方便。 (b)剪切式壓電加速度傳感器。采用剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換。管式壓電元件緊套在金屬圓柱上，在壓電元件外徑上再套上慣性質(zhì)量塊。當(dāng)金屬圓柱向上運(yùn)動,由于慣性質(zhì)量環(huán)保持滯后，這樣壓電元件就受剪切應(yīng)力作用，從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電