東南大學(xué)傳感器技術(shù)壓電式傳感器資料.ppt

第6章壓電式傳感器 壓電方程及壓電常數(shù)矩陣 1 2 第6章壓電式傳感器 等效電路及測量電路 6 3 壓電式傳感器及其影響因數(shù) 6 4 第6章壓電式傳感器 第6章壓電式傳感器 第6章壓電式傳感器 壓電效應(yīng) PiezoelectricEffect 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(jī)械力作用下 都會(huì)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 dT 6 1 式中d 壓電常數(shù)矩陣 當(dāng)外力消失 電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀 當(dāng)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)壓電效應(yīng)及材料 第6章壓電式傳感器 逆壓電效應(yīng)若對(duì)上述電介質(zhì)施加電場作用時(shí) 同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形 且其應(yīng)變S與外電場強(qiáng)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6章壓電式傳感器 壓電效應(yīng)圖 a 正壓電效應(yīng) b 壓電效應(yīng)的可逆性 第6章壓電式傳感器 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(jī)電耦合系數(shù)電阻居里點(diǎn) 第6章壓電式傳感器 壓電材料壓電晶體 單晶 壓電陶瓷 多晶半導(dǎo)瓷 新型壓電材料 第6章壓電式傳感器 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(diǎn)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(gè)晶面組成 第6章壓電式傳感器 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(jī)械和熱沖擊性差 第6章壓電式傳感器 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(duì)其施加強(qiáng)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(qiáng)的剩余極化 從而呈現(xiàn)出壓電性 第6章壓電式傳感器 壓電陶瓷極化 4BaTiO3壓電陶瓷的極化 第6章壓電式傳感器 壓電陶瓷的特點(diǎn)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6章壓電式傳感器 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6章壓電式傳感器 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6章壓電式傳感器 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6章壓電式傳感器 新型壓電材料 壓電半導(dǎo)體 有機(jī)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6章壓電式傳感器 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(duì)于各向異性的壓電材料 方程必須能反映出材料機(jī)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 在三維直角坐標(biāo)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(fù) T4 T5 T6分別為繞x y z軸的切應(yīng)力分量 順時(shí)鐘方向?yàn)樨?fù) 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)壓電方程及壓電常數(shù)矩陣 第6章壓電式傳感器 圖6 6X00切型石英晶片的力電分布 第6章壓電式傳感器 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(qiáng) 極化 方向的下標(biāo) j 力效應(yīng) 應(yīng)力 應(yīng)變 方向的下標(biāo) Tj j方向的外施應(yīng)力分量 Pa ij j方向的應(yīng)力在i方向的極化強(qiáng)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(shí)的壓電常數(shù) C N 當(dāng)i j時(shí) 為縱向壓電效應(yīng) 當(dāng)i j時(shí) 為橫向壓電效應(yīng) 第6章壓電式傳感器 任意的多方向的力同時(shí)作用下的全壓電效應(yīng) 第6章壓電式傳感器 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 對(duì)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(gè)壓電常數(shù)中 實(shí)際獨(dú)立存在的個(gè)數(shù)也各不相同 如X0 切型石英晶體獨(dú)立的壓電常數(shù)只有兩個(gè) d11 d14 第6章壓電式傳感器 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 第6章壓電式傳感器 結(jié)論 壓電晶體的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是對(duì)應(yīng)存在的 哪個(gè)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6章壓電式傳感器 x方向 只有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6章壓電式傳感器 6 3 1等效電路一 理想等效電路相對(duì)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 0 rA t 第三節(jié)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6章壓電式傳感器 當(dāng)需壓電器件輸出電壓時(shí) 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(dāng)需要壓電器件輸出電荷時(shí) 則可把它等效成一個(gè)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6章壓電式傳感器 這時(shí)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6章壓電式傳感器 二實(shí)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6章壓電式傳感器 6 3 2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 電壓靈敏度 第6章壓電式傳感器 幅值 相位 2 動(dòng)態(tài)特性 壓電器件與測量電路相聯(lián)的動(dòng)態(tài)特性曲線 第6章壓電式傳感器 高頻特性當(dāng) 時(shí) 被測量頻率愈高 實(shí)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(dāng) 時(shí) 被測量的頻率愈低 動(dòng)態(tài)誤差 k 1 100 也愈大 同時(shí)相位角的誤差也愈大 第6章壓電式傳感器 二 電荷放大器 電荷放大器實(shí)質(zhì)上是負(fù)反饋放大器 基本電路如圖所示 第6章壓電式傳感器 等效電路如下圖 第6章壓電式傳感器 當(dāng)放大器開環(huán)增益和輸入電阻 反饋電阻相當(dāng)大時(shí) 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(shí) 第6章壓電式傳感器 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 輸出電壓正比于輸入電荷量 當(dāng) 1 A CF 10 Ca Cc Ci 時(shí) 認(rèn)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(shí) 不用重新校正傳感器的靈敏度 第6章壓電式傳感器 為得到必要測量精度 CF的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性要好 實(shí)際電路中CF的容量做成可選擇的 電容負(fù)反饋線路在直流工作時(shí) 相當(dāng)于開路狀態(tài) 對(duì)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(gè)電阻RF 1010 1014 提高直流反饋 第6章壓電式傳感器 6 4 1壓電式傳感器一 壓電式傳感器應(yīng)用特點(diǎn) 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 體積小重量輕 剛度強(qiáng)度 承載能力和測量范圍大 頻帶寬 動(dòng)態(tài)誤差小易于大量生產(chǎn) 便于選用 使用和校準(zhǔn)方便 并適用于近測 遙測 第四節(jié)壓電式傳感器及其影響因數(shù) 第6章壓電式傳感器 壓電式加速度傳感器 壓縮型剪切型復(fù)合型 第6章壓電式傳感器 壓電式測力傳感器是利用壓電元件直接實(shí)現(xiàn)力 電轉(zhuǎn)換的傳感器 在拉 壓場合 通常較多采用雙片或多片石英晶片作壓電元件 它剛度大