傳感器第章壓電式

傳感器第章壓電式第一頁，共81頁。特點:工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，工作可靠。應(yīng)用范圍：各種動態(tài)力、機械沖擊、振動測量、生物醫(yī)學(xué)、超聲、通信、宇航等領(lǐng)域。壓電加速度計

壓電陶瓷超聲換能器第二頁，共81頁。

各種小巧的壓力傳感器

壓電傳感器的外形

壓力變送器部件

壓力變送器

第三頁，共81頁。壓電警號壓電陶瓷位移器壓電秤重浮游計第四頁，共81頁。4.1壓電效應(yīng)正(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，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)，這種將機械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場時，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機械應(yīng)力，這種將電能轉(zhuǎn)換成機械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”,又稱為電致伸縮效應(yīng)。FF極化面Q壓電介質(zhì)機械能｛電能｝正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性第五頁，共81頁。壓電元件機械能電能

自然界許多晶體具有壓電效應(yīng)，但十分微弱，研究發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛是優(yōu)能的壓電材料。第六頁，共81頁。壓電晶片按特定方向切片人工合成水晶第七頁，共81頁。外形結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形4.1.1石英晶體的壓電效應(yīng)第八頁，共81頁。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。機械軸（Y軸）：垂直xz面，在電場作用下，該軸方向的機械變形最明顯。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。第九頁，共81頁。沿x方向施加壓力時，右旋石英的x軸正向帶正電，左旋石英的x軸正向帶負電第十頁，共81頁。當(dāng)石英晶體未受外力作用時,正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。此時正負電荷重心重合,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。電偶極矩P=qL,q為電荷量,L為正負電荷之間距離。第十一頁，共81頁。晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負離子的相對位置也隨之變動。此時正負電荷重心不再重合。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,電荷的極性也隨之改變。+++---XYP1P2P3第十二頁，共81頁。當(dāng)晶體受到沿y軸方向的壓力作用時,P1增大,P3、P2減小。在垂直x軸表面上出現(xiàn)電荷,它的極性為x軸正向為負電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。當(dāng)作用力方向相反時,電荷的極性也隨之改變。第十三頁，共81頁。+++---XYP1P2P3如果沿z軸方向施加作用力,因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同,所以正負電荷重心保持重合,電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力,晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十四頁，共81頁。4.1.2壓電傳感器的工作原理1.正壓電效應(yīng)工作原理晶體受到x方向的壓力Fx作用，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。由極化理論，在晶體線性范圍內(nèi)，極化強度與應(yīng)力成正比，即極化強度在數(shù)值上等于晶體面上的電荷密度其極間電壓為tbac第十五頁，共81頁。2.逆壓電效應(yīng)工作原理在Ux的作用下，晶片沿X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即3.正壓電效應(yīng)的極化電荷方向1)在x軸方向上施加壓縮力時，右旋石英晶體，在x軸正向出現(xiàn)正電荷。2）在x軸方向施加拉伸力時，在垂直于x軸的平面上仍會出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。3）在同一晶片上沿y軸方向作用力，其電荷仍在與x軸垂直的平面上出現(xiàn)。第十六頁，共81頁。由上述可知：1)無論是正壓電效應(yīng)還是逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間成線性關(guān)系；2）晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)。3）石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)。tbac第十七頁，共81頁。壓電元件在受到力作用時，在相應(yīng)的表面上產(chǎn)生表面電荷其計算公式為：σ:單位面積上的作用力dij:壓電常數(shù)q:電荷密度第十八頁，共81頁。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)

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y第十九頁，共81頁。壓電常數(shù)矩陣石英晶體壓電常數(shù)矩陣第二十頁，共81頁。4.1.3石英晶體的基本變形形式厚度變形（d11)xyzT1T1+-zxyT2T2+-長度變形（d12)第二十一頁，共81頁。面剪切變形厚度剪切變形x(y)y(x)zT1T4(T5)+-T4(T5)xyzT6T6+-體積變形第二十二頁，共81頁。壓電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換的幾種基本形式厚度受壓型長度受壓型第二十三頁，共81頁。厚度切變型平面切變型體積受壓型第二十四頁，共81頁。4.2壓電材料壓電材料分為三大類：壓電晶體（石英），壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛）和新型壓電材料（壓電半導(dǎo)體和高分子壓電材料）。選擇壓電材料的依據(jù)：1.轉(zhuǎn)換性能。（具有較大的壓電常數(shù)）2.機械性能。3.電性能。（高電阻率和大介電常數(shù)）4.環(huán)境適應(yīng)性。5.時間穩(wěn)定性。第二十五頁，共81頁。4.2.1石英晶體的主要性能具有實用價值的壓電材料不需要人工極化沒有熱釋電效應(yīng)（由于溫度的變化引起極化狀態(tài)改變的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)）介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好居里點溫度達：5730c壓電材料開始喪失壓電性能的溫度性能穩(wěn)定、機械強度高第二十六頁，共81頁。4.2.2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。在無外電場作用時,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)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。第二十七頁，共81頁。壓電陶瓷極化處理在陶瓷上施加外電場時,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動,趨向于按外電場方向的排列,從而使材料得到極化。外電場愈強,就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度,即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時,外電場去掉后,電疇的極化方向基本不變,即剩余極化強度很大,這時的材料才具有壓電特性。極化方向即外加電場方向，取為Z軸方向。E第二十八頁，共81頁。壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)如果在陶瓷片上施加一個與極化方向平行的壓縮力，壓電片產(chǎn)生壓縮變形，使內(nèi)部束縛電荷的間距變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強度變小，致使內(nèi)部的束縛電荷變少，導(dǎo)致被吸附在外面電極上的自由電荷有一部分被釋放，呈現(xiàn)放電狀態(tài)。當(dāng)外力消失后，陶瓷片恢復(fù)原狀，使極化強度增大，內(nèi)部束縛電荷增加，導(dǎo)致電極的吸附自由電荷增加，呈現(xiàn)充電狀態(tài)。這種因受力而產(chǎn)生的機械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。放電電荷與外力成正比關(guān)系，即第二十九頁，共81頁。2）壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)如果在陶瓷片上施加一個與極化方向相同的電場，由于電場方向與極化方向相同，所以電場的作用使極化強度增大，壓電陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長變形。同理，若改變電場方向同極化方向相反，則陶瓷片將沿極化方向產(chǎn)生縮短變形。這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)，或者說將電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。變形與電場之間的關(guān)系為

第三十頁，共81頁。分析可見：（1）壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在著電疇，經(jīng)極化處理后被迫取向排列，使內(nèi)部存在剩余極化強度，在外作用（力或電場）下，能使極化強度變化，導(dǎo)致陶瓷出現(xiàn)壓電效應(yīng)。（2）陶瓷的極化電荷是束縛電荷，它們不能自由移動，陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極上的自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。

第三十一頁，共81頁。4.3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電荷發(fā)生器。同時,它也是一個電容器,晶體上聚集正負電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),則其電容量為

式中:s——壓電片的面積;h——壓電片的厚度;εr——壓電材料的相對介電常數(shù)。第三十二頁，共81頁。電荷等效電路電壓等效電路QQQ第三十三頁，共81頁。電壓靈敏度

電荷靈敏度

它們之間的關(guān)系

第三十四頁，共81頁。壓電傳感器的實際等效電路－壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接,

因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc,

放大器的輸入電阻Ri,

輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra

等效電壓源

等效電流源第三十五頁，共81頁。4.4壓電式傳感器的測量電路

4.4.1壓電元件結(jié)構(gòu)形式

第三十六頁，共81頁。

在實際應(yīng)用中為提高靈敏度使表面有足夠的電荷，常常把兩片、四片壓電元件組成在一起使用。由于壓電材料有極性，因此存在連接方法，雙片連接時：電路串聯(lián)電路并聯(lián)+_U’

_++++++++++++___________++++++++++++____________+_+_U’

+++++++++++_______________________+++++++++++第三十七頁，共81頁。串聯(lián);電荷相等電壓相加電容減小并聯(lián)：電壓相等電荷相加電容相加第三十八頁，共81頁。

前置電路有兩個作用，一是放大微弱的信號，二是阻抗變換；根據(jù)等效電路壓電元件輸出可以是電壓源，也可以是電荷源。因此，前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。與其配套的測量電路也有電壓放大器和電荷放大器兩種形式的電路。4.4.2壓電式傳感器的測量電路

4.4.2.1電壓放大器原理

第三十九頁，共81頁。電壓放大器等效電路示意圖簡化圖第四十頁，共81頁。第四十一頁，共81頁。理想情況前置放大器實際輸入電壓與理想輸入電壓的比值為：第四十二頁，共81頁。φωτ00901.0UimUam0.51234A.ω=0（靜態(tài)量）時，Uim/Uam=0（輸入電壓為零）所以不能測量靜態(tài)量。B.ωτ>>3（高頻情況），Uim/Uam≈1，實際接近理想，輸入電壓與作用力頻率無關(guān)。C.τ一定，ω越高，高頻響應(yīng)越好對低頻測量情況：τ一定，ω↓偏差越大所以要求τ要大，擴大低頻響應(yīng)范圍第四十三頁，共81頁。D.傳感器電壓靈敏度從傳感器電壓靈敏度可見，連接電纜的分布電容Cc影響傳感器靈敏度，使用時更換電纜就要求重新標(biāo)定，測量系統(tǒng)對電纜長度變化很敏感，這是電壓放大器的缺點。

4.4.2.2電荷放大器原理

為解決電纜分布電容對傳感器靈敏度的影響和低頻響應(yīng)差的缺點可采用電荷放大，而且集成運放組成的電荷放大器有較好的性能。

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。利用電容作反饋元件的深度負反饋的高增益運放。第四十四頁，共81頁。-kUoCfQa結(jié)論：1)

因U0＝f(Q，Cf)，只與變量Q，Cf有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜電容無關(guān)，故靈敏度與電纜無關(guān)。2)當(dāng)Cf=常數(shù)時，則。3)當(dāng)Cf增大時，Uo減小，故需選擇合適的Cf值。

（1）理想電荷放大器原理

第四十五頁，共81頁。

（2）實際電荷放大器原理

Rf－kUoCfCiCcCaQ第四十六頁，共81頁。結(jié)論：1)電荷放大器的輸出電壓。

2)U0＝f(Q，Cf)，只與變量Q，Cf有關(guān)，而與放大系數(shù)和電纜電容無關(guān)，但必須滿足兩個條件:和k→∞，但電纜線不易太長，否則會降低信噪比，使低頻特性變壞。4.5壓電傳感器的應(yīng)用第四十七頁，共81頁。1．壓電晶體振蕩器；2．壓電加速度計傳感器；3．壓電式玻璃破碎報警器；4．血壓測量；5．壓電換能器，發(fā)射（揚聲器）、接收（麥克風(fēng)）、收聽器、超聲波換能器；6．新型壓電材料（聚偏二氟乙烯）第四十八頁，共81頁。變形方式厚度伸縮：縱向壓電效應(yīng)長度伸縮：橫向壓電效應(yīng)厚度切變：剪切壓電效應(yīng)長寬切變：面切壓電效應(yīng)體積壓縮：縱橫向壓電效應(yīng)組合形式結(jié)構(gòu)形狀分：圓形、長方形、環(huán)形、柱狀等元件數(shù)目分：單晶片、雙晶片和多晶片極性方式分：串聯(lián)、并聯(lián)第四十九頁，共81頁。

加速度計，力傳感器

第五十頁，共81頁。壓電式力和壓力傳感器一、力傳感器1、單向力傳感器第五十一頁，共81頁。2、雙向力傳感器第五十二頁，共81頁。3、三向力傳感器FXFZFY第五十三頁，共81頁。第五十四頁，共81頁。第五十五頁，共81頁。受力分析第五十六頁，共81頁。第五十七頁，共81頁。二、壓力傳感器

膜片式壓電壓力傳感器：后座墊圈外殼石英晶片導(dǎo)電片傳力塊膜片第五十八頁，共81頁。第五十九頁，共81頁。壓電式血壓傳感器如圖壓電陶瓷，雙晶片懸梁結(jié)構(gòu)。雙晶片極化方向相反，并聯(lián)相接。在敏感振膜中央上下兩側(cè)各膠粘有半圓柱塑料塊。被測動脈血壓通過上塑料塊、振膜、下塑料塊傳遞到壓電懸梁的自由端。壓電梁彎曲變形產(chǎn)生壓電式血壓傳感器的電荷輸出。第六十頁，共81頁。壓電式玻璃破碎報警器第六十一頁，共81頁。（1）工作原理－結(jié)構(gòu)組成基座殼體彈簧質(zhì)量塊壓電片壓電式加速度傳感器第六十二頁，共81頁。壓電式加速度傳感器屬于慣性式傳感器。測量時傳感器基座與試件剛性連接在一起。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，當(dāng)傳感器受振時，質(zhì)量塊受到與加速度方向相反的力的作用，并作用在壓電元件上。當(dāng)被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則力的變化與被測加速度成正比。傳感器輸出電荷也與加速度成正比。（2）工作原理第六十三頁，共81頁。[質(zhì)量塊的絕對位移x2，激勵為x1，質(zhì)量塊相對位移xt]頻響特性－受力分析第六十四頁，共81頁。拉氏變換得傳遞函數(shù)為第六十五頁，共81頁。（3）壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)1、壓縮型質(zhì)量塊外殼壓電元件基座第六十六頁，共81頁。特點：基于厚度變形,結(jié)構(gòu)簡單。頻響好（固有頻率高）靈敏度高對環(huán)境影響（基座變形、應(yīng)變、溫度變化、聲噪聲）比較敏感第六十七頁，共81頁。第六十八頁，共81頁。2、剪切型⑴環(huán)型剪切外殼基座質(zhì)量塊壓電元件中心柱第六十九頁，共81頁。預(yù)緊環(huán)壓電元件質(zhì)量塊三角中心柱⑵三角剪切型第七十頁，共81頁。⑶H剪切型壓電元件質(zhì)量塊第七十一頁，共81頁。剪切型的特點受環(huán)境影響小橫向靈敏度小