第六章 壓電式傳感器

1 第六章壓電式傳感器 2 概述 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng) 是典型的有源傳感器 當(dāng)某些材料受力作用而變形時 其表面會有電荷產(chǎn)生 從而實現(xiàn)非電量測量 3 1壓電效應(yīng) 某些電介質(zhì) 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷 當(dāng)外力去掉后 其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài) 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng) 一電壓效應(yīng)與壓電材料 第一節(jié)壓電式傳感器 當(dāng)作用力方向改變時 電荷的極性也隨之改變 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象 稱為 順壓電效應(yīng) 4 5 反之 當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場 這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力 當(dāng)外加電場撤去時 這些變形或應(yīng)力也隨之消失 這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為 逆壓電效應(yīng) 6 7 2壓電材料簡介 壓電材料可以分為兩大類 壓電晶體和壓電陶瓷 前者為晶體 后者為極化處理的多晶體 他們都具有較大的壓電常數(shù) 機(jī)械性能良好 時間穩(wěn)定性好 溫度穩(wěn)定性好等特性 所以是較理想的壓電材料 8 二石英晶體的壓電效應(yīng) 縱向軸Z稱為光軸 經(jīng)過正六面體棱線 并垂直于光軸的X軸稱為電軸 與X軸和Z軸同時垂直的Y軸 垂直于正六面體的棱面 稱為機(jī)械軸 天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形是一個正六面體 石英晶體各個方向的特性是不同的 9 a 晶體外形 b 切割方向 c 晶片 10 石英晶體具有壓電效應(yīng) 是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的 如圖所示是一個單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子 在垂直于z軸的xy平面上的投影 等效為一個正六邊形排列 圖中 代表硅離子Si4 代表氧離子2O2 1 石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)原理 11 當(dāng)石英晶體未受外力作用時 正 負(fù)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 因為P qL q為電荷量 L為正負(fù)電荷之間的距離 此時正負(fù)電荷中心重合 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 呈電中性 x y P1 P2 P3 12 當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力時 晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮 正 負(fù)離子的相對位置隨之發(fā)生變化 此時正 負(fù)電荷中心不再重合 電偶極矩P1減小 P2 P3增大 它們在x方向上的分量不再等于零 P1 P2 P3 x 0 在y z方向上的分量為 P1 P2 P3 y 0 P1 P2 P3 z 0 P2 P3 在x軸的正向出現(xiàn)正電荷 在y z方向不出現(xiàn)電荷 13 晶體受到沿x方向的拉力P1增大 P2 P3減小 P1 P2 P3 x 0 在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷 在y z方向不出現(xiàn)電荷 P1 P2 P3 y 0 P1 P2 P3 z 0 P2 P3 P1 這種沿X軸施加力 而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象即為縱向壓電效應(yīng) 14 15 晶體受到沿Y方向的拉力與X方向壓力相同 P1 P2 P3 x 0 在x軸的正向出現(xiàn)正電荷 在y z方向不出現(xiàn)電荷 16 P2 P3 P1 晶體受到沿Y方向的壓力與X方向拉力相同 P1 P2 P3 x 0 在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷 在y z方向不出現(xiàn)電荷 這種沿Y軸施加力 而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象即為橫向壓電效應(yīng) 17 18 19 受Z軸力 晶體沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同 所以 正 負(fù)電荷中心保持重合 電偶極矩矢量和等于零 在沿z 即光軸 方向的力Fz作用下 晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 20 為作用力 2 縱向壓電效應(yīng) FX 為x方向受力的壓電系數(shù) 為產(chǎn)生的電荷 21 3 橫向壓電效應(yīng) 為作用力 為y方向受力的壓電系數(shù) 為產(chǎn)生的電荷 因石英軸對稱 a 厚度b 寬度 22 當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時 qx只與作用力Fx成正比 而與晶片的幾何尺寸無關(guān) 沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時 產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng) 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) 無論是正或逆壓電效應(yīng) 其作用力 或應(yīng)變 與電荷 或電場強(qiáng)度 之間皆呈線性關(guān)系 結(jié)論 23 三壓電陶瓷的壓電特性 無外電場作用時總極化強(qiáng)度為零 外電場去掉后具剩余極化強(qiáng)度 人造多晶體 經(jīng)極化處理后的人造多晶體 施加外電場時電疇自發(fā)極化方向與外電場一致 24 自由電荷 束縛電荷 無外力作用時電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度 束縛電荷會吸附自由電荷陶瓷片對外不表現(xiàn)極性 25 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 就是正壓電效應(yīng) d33 壓電陶瓷壓電系數(shù)F 作用力 加外力 極化方向 F 電疇偏轉(zhuǎn) 極化強(qiáng)度變小 自由電荷釋放 26 27 逆壓電效應(yīng) 由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象 28 29 四壓電材料 轉(zhuǎn)換性能 要求具有較大的壓電常數(shù) 機(jī)械性能 機(jī)械強(qiáng)度高 剛度大 電性能 高電阻率和大介電常數(shù) 環(huán)境適應(yīng)性 溫度和濕度穩(wěn)定性要好 要求具有較高的居里點 獲得較寬的工作溫度范圍 時間穩(wěn)定性 要求壓電性能不隨時間變化 壓電材料具備主要特性 指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度 返回 30 1 石英晶體石英 SiO2 是一種具有良好壓電特性的壓電晶體 其壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好 在20 200 范圍內(nèi) 溫度每升高1 壓電系數(shù)僅減少0 016 但是當(dāng)?shù)?73 時 它完全失去了壓電特性 這就是它的居里點 1 00 0 99 0 98 0 97 0 96 0 95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 dt d20 t 石英的d11系數(shù)相對于20 的d11溫度變化特性 31 優(yōu)點 性能非常穩(wěn)定 機(jī)械強(qiáng)度高 絕緣性能也相當(dāng)好 缺點 價格昂貴 且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多 用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中 切割 各向異性晶體 按不同方向切割 物理性質(zhì) 如彈性 壓電效應(yīng) 溫度特性等 相差很大 根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型 組成 天然和人工培養(yǎng)兩種類型 因其物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎沒有區(qū)別 廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體 32 天然形成的石英晶體外形 33 人工合成水晶 雙面鍍銀并封裝 壓電晶片 石英晶體薄片 石英晶體切片及封裝 34 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇 BaTiO3 是由碳酸鋇 BaCO3 和二氧化鈦 TiO2 按1 1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷 它具有較大的壓電系數(shù)約為石英晶體的50倍 不足之處是居里溫度低 120 溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體 2 壓電陶瓷 35 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 PZT 鋯鈦酸鉛與鈦酸鋇相比 壓電系數(shù)更大 居里溫度在300 以上 各項機(jī)電參數(shù)受溫度影響小 時間穩(wěn)定性好 此外 在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素 如銻 錫 錳 鎢等 還可以獲得不同性能的PZT材料 因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料 36 37 壓電陶瓷外形 超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片 醫(yī)用B超換能器用晶片 38 1 壓電晶片的連接方式 四壓電傳感器等效電路 由于外力作用而使壓電材料上產(chǎn)生電荷 該電荷只有在無泄漏的情況下才會長期保存 因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗 而實際上這是不可能的 所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測量 只能在其上加交變力 電荷才能不斷得到補(bǔ)充 可以供給測量電路 定的電流 故壓電傳感器只宜作動態(tài)測量 39 在實際應(yīng)用中 由于單片的輸出電荷很小 因此 組成壓電式傳感器的晶片不止一片 常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起 粘結(jié)的方法有兩種 即并聯(lián)和串聯(lián) 40 并聯(lián)連接 并聯(lián)接法輸出電荷大 本身電容大 時間常數(shù)大 適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合 41 串聯(lián)連接 串聯(lián)接法輸出電壓大 本身電容小 適宜用于測量電壓作輸出信號和快變化信號的場合 返回 42 2 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 晶體上聚集等量的正負(fù)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 A 壓電片的面積 d 壓電片的厚度 壓電材料介電常數(shù) 43 靜電發(fā)生器 電容器 44 壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ce的串聯(lián)電路 如圖 a 也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ce的并聯(lián)電路 如圖 b 45 Cc 連接電纜等效電容Ri 放大器輸入電阻Ci 放大器輸入電容Rd 傳感器泄漏電阻 實際等效電路 46 3 壓電傳感器的測量電路 壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高 大于1010歐姆 輸出能量較小 給后續(xù)測量電路 放大電路 提出很高要求 為了保證壓電傳感器的測量誤差較小 它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器 其作用為 一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗 二是放大傳感器輸出的微弱信號 壓電傳感器的輸出可以是電壓信號 也可以是電荷信號 因此前置放大器也有兩種形式 電壓放大器和電荷放大器 47 電壓放大器 若壓電元件材料受正弦力作用 則產(chǎn)生的電壓值為 Fm 作用力的幅值 電壓幅值 壓電系數(shù) 48 可得放大器輸入端的電壓Ui 其復(fù)數(shù)形式為 49 Ui的幅值Uim為 輸入電壓與作用力之間的相位差 為 50 電壓靈敏度 討論 靈敏度與被測信號頻率無關(guān) 這說明壓電式傳感器的高頻響應(yīng)相當(dāng)好 壓電傳感器不能測靜態(tài)量 為了得到好的低頻響應(yīng)特性 靈敏度與連接電纜有關(guān) 更換電纜需要重新標(biāo)定 51 52 第二節(jié)壓電式傳感器的應(yīng)用 例 壓電式壓力傳感器 53 例 壓電式加速度傳感器 F ma 傳感器輸出電荷與加速度a成正比 因此 測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小 54 例壓電式聲傳感器 當(dāng)一定頻率的聲頻信號加在換能器上時 換能器上的壓電陶瓷片受到外力作用而產(chǎn)生壓縮變形 由于壓電陶瓷的正壓電效應(yīng) 壓電陶瓷上將出現(xiàn)充 放電現(xiàn)象 即將聲頻信號轉(zhuǎn)換成了交變電信號 這時的聲傳感器就是聲頻信號接收器 55 例壓電式傳感器在測漏中的應(yīng)用 如果地面下一均勻的自來水直管道某處O發(fā)生漏水 水漏引起的振動從O點向管道兩端傳播 在管道上A B兩點放兩只壓電傳感器 由從兩個傳感器接收到