常用傳感器-壓電資料

掌握道路交通壓電傳感器的基本原理 2 2壓電傳感器 目錄 4 1 1傳感器概述 1 2 3 5 1 2壓電傳感器 1 3光電傳感器 1 4電渦流傳感器 1 5微波傳感器 6 7 1 6超聲波傳感器 1 7圖像傳感器 3 思考 什么是壓電式傳感器什么是壓電效應 正壓電效應傳感器能否測靜態(tài)信號 為什么 石英晶體的壓電效應有何特點 并說明什么是縱向壓電效應 什么是橫向壓電效應 以某些電介質的壓電效應為基礎 在外力作用下 在電介質的表面上產(chǎn)生電荷 從而實現(xiàn)非電量測量 壓電傳感元件是力敏感元件 所以它能測量最終能變換為力的那些物理量 例如力 壓力 加速度等 壓電式傳感器具有響應頻帶寬 靈敏度高 信噪比大 結構簡單 工作可靠 重量輕等優(yōu)點 1 2壓電式傳感器 一 壓電效應正壓電效應 順壓電效應 某些電介質 當沿著一定方向對其施力而使它變形時 內部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時在它的一定表面上產(chǎn)生電荷 當外力去掉后 又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象 當作用力方向改變時 電荷極性也隨著改變 逆壓電效應 電致伸縮效應 當在電介質的極化方向施加電場 這些電介質就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力 當外加電場撤去時 這些變形或應力也隨之消失的現(xiàn)象 電能 機械能 正壓電效應 逆壓電效應 天然結構石英晶體的理想外形是一個正六面體 在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示 其中縱向軸Z Z稱為光軸 經(jīng)過正六面體棱線 并垂直于光軸的X X軸稱為電軸 與X X軸和Z Z軸同時垂直的Y Y軸 垂直于正六面體的棱面 稱為機械軸 Z X Y a b 石英晶體 a 理想石英晶體的外形 b 坐標系 Z Y X 通常把沿電軸X X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為 縱向壓電效應 而把沿機械軸Y Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為 橫向壓電效應 沿光軸Z Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應 一 石英晶體的壓電效應 石英晶體具有壓電效應 是由其內部結構決定的 組成石英晶體的硅離子Si4 和氧離子O2 在Z平面投影 如圖 a 為討論方便 將這些硅 氧離子等效為圖 b 中正六邊形排列 圖中 代表Si4 代表2O2 b a Y X X Y 硅氧離子的排列示意圖 a 硅氧離子在Z平面上的投影 b 等效為正六邊形排列的投影 9 當作用力FX 0時 正 負離子 即Si4 和2O2 正好分布在正六邊形頂角上 形成三個互成120 夾角的偶極矩P1 P2 P3 如圖 a 所示 此時正負電荷中心重合 電偶極矩的矢量和等于零 即P1 P2 P3 0 當晶體受到沿X方向的壓力 FX0 在Y Z方向上的分量為 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0由上式看出 在X軸的正向出現(xiàn)正電荷 在Y Z軸方向則不出現(xiàn)電荷 Y X a FX 0 P1 P2 P3 FX X Y FX b FX 0 P1 P2 P3 可見 當晶體受到沿X 電軸 方向的力FX作用時 它在X方向產(chǎn)生正壓電效應 而Y Z方向則不產(chǎn)生壓電效應 晶體在Y軸方向力FY作用下的情況與FX相似 當FY 0時 晶體的形變與圖 b 相似 當FY 0時 則與圖 c 相似 由此可見 晶體在Y 即機械軸 方向的力FY作用下 使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應 在Y Z方向則不產(chǎn)生壓電效應 P1 P2 P3 X 0 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0 c FX 0 Y X FX FX P2 P3 P1 當晶體受到沿X方向的拉力 FX 0 作用時 其變化情況如圖 c 此時電極矩的三個分量為 在X軸的正向出現(xiàn)負電荷 在Y Z方向則不出現(xiàn)電荷 晶體在Z軸方向力FZ的作用下 因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應變完全相同 所以 正 負電荷中心保持重合 電偶極矩矢量和等于零 這就表明 沿Z 即光軸 方向的力FZ作用下 晶體不產(chǎn)生壓電效應 假設從石英晶體上切下一片平行六面體 晶體切片 使它的晶面分別平行于X Y Z軸 如圖 并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面 當晶片受到沿X軸方向的壓縮應力 XX作用時 晶片將產(chǎn)生厚度變形 并發(fā)生極化現(xiàn)象 在晶體線性彈性范圍內 極化強度PXX與應力 XX成正比 Z Y X b l 石英晶體切片 t 式中FX X軸方向的電場強度 d11 壓電系數(shù) 當受力方向和變形不同時 壓電系數(shù)也不同 石英晶體d11 2 3 10 12CN 1 l b 石英晶片的長度和寬度 極化強度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度 即 式中qX 垂直于X軸平面上的電荷 將上兩式整理 得 式中 電極面間電容 其極間電壓為 根據(jù)逆壓電效應 晶體在X軸方向將產(chǎn)生伸縮 即或用應變表示 則式中EX X軸方向上的電場強度 在X軸方向施加壓力時 左旋石英晶體的X軸正向帶正電 如果作用力FX改為拉力 則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷 但極性相反 見圖 a b FX FX a b X X t d11UX 如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向 其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn) 其極性見圖 c d 此時電荷的大小為 c d FY FY X X 式中d12 石英晶體在Y軸方向受力時的壓電系數(shù) 根據(jù)石英晶體軸對稱條件 d11 d12 則上式為式中t 晶片厚度 則其極間電壓為 根據(jù)逆壓電效應 晶片在Y軸方向將產(chǎn)生伸縮變形 即或用應變表示由上述可知 無論是正或逆壓電效應 其作用力 或應變 與電荷 或電場強度 之間呈線性關系 晶體在哪個方向上有正壓電效應 則在此方向上一定存在逆壓電效應 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質 是人工制造的多晶壓電材料 它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構 電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域 它有一定的極化方向 從而存在一定的電場 在無外電場作用時 各個電疇在晶體上雜亂分布 它們的極化效應被相互抵消 因此原始的壓電陶瓷內極化強度為零 見圖 a 直流電場E 剩余極化強度 剩余伸長 電場作用下的伸長 a 極化處理前 b 極化處理中 c 極化處理后 二 壓電陶瓷的壓電效應 18 當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時 無法測出陶瓷片內部存在的極化強度 陶瓷片內的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來 即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷 另一端出現(xiàn)負束縛電荷 由于束縛電荷的作用 在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷 這些自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等 它起著屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外界的作用 所以電壓表不能測出陶瓷片內的極化程度 如圖 如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F 如圖 陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變 圖中虛線 片內的正 負束縛電荷之間的距離變小 極化強度也變小 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 當壓力撤消后 陶瓷片恢復原狀 這是一個膨脹過程 片內的正 負電荷之間的距離變大 極化強度也變大 因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象 這種由機械效應轉變?yōu)殡娦?或者由機械能轉變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象 就是正壓電效應 同樣 若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場 如圖 由于電場的方向與極化強度的方向相同 所以電場的作用使極化強度增大 這時 陶瓷片內的正負束縛電荷之間距離也增大 就是說 陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變 圖中虛線 同理 如果外加電場的方向與極化方向相反 則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變 這種由于電效應而轉變?yōu)闄C械效應或者由電能轉變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象 就是逆壓電效應 逆壓電效應示意圖 實線代表形變前的情況 虛線代表形變后的情況 極化方向 電場方向 由此可見 壓電陶瓷所以具有壓電效應 是由于陶瓷內部存在自發(fā)極化 這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后 陶瓷內即存在剩余極化強度 如果外界的作用 如壓力或電場的作用 能使此極化強度發(fā)生變化 陶瓷就出現(xiàn)壓電效應 此外 還可以看出 陶瓷內的極化電荷是束縛電荷 而不是自由電荷 這些束縛電荷不能自由移動 所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象 是通過陶瓷內部極化強度的變化 引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結果 種類 壓電晶體 如石英等 壓電陶瓷 如鈦酸鋇 鋯鈦酸鉛等 壓電半導體 如硫化鋅 碲化鎘等 對壓電材料特性要求 轉換性能 要求具有較大壓電常數(shù) 機械性能 壓電元件作為受力元件 希望它的機械強度高 剛度大 以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率 電性能 希望具有高電阻率和大介電常數(shù) 以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性 環(huán)境適應性強 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 二 壓電材料 一 石英晶體石英 SiO2 是一種具有良好壓電特性的壓電晶體 其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當好 在常溫范圍內這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化 如下兩圖 由圖可見 在20 200 范圍內 溫度每升高1 壓電系數(shù)僅減少0 016 但是當?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 斜率 0 016 t 石英的d11系數(shù)相對于20 的d11溫度變化特性 6 5 4 3 2 1 0 100 200 300 400 500 600 t 相對介電常數(shù) 居里點 石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性 石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定 機械強度高 絕緣性能也相當好 但石英材料價格昂貴 且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多 因此一般僅用于標準儀器或要求較高的傳感器中 因為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 如彈性 壓電效應 溫度特性等 相差很大 為了在設計石英傳感器時 根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型 石英晶片的切型符號表示方法 IRE標準規(guī)定的切型符號表示法 習慣符號表示法 IRE標準規(guī)定的切型符號包括一組字母 X Y Z t l b 和角度 用X Y Z中任意兩個字母的先后排列順序 表示石英晶片厚度和長度的原始方向 用字母t 厚度 l 長度 b 寬度 表示旋轉軸的位置 當角度為正時 表示逆時針旋轉 當角度為負時 表示順時針旋轉 例如 YXl 35 切型 其中第一個字母Y表示石英晶片在原始位置 即旋轉前的位置 時的厚度 Z Z O O Y Y Z X X 35 a b YXl 35 切型 a 石英晶片原始位置 b 石英晶片的切割方位 沿Y軸方向 第二個字母X表示石英晶片在原始位置時的長度沿X軸方向 第三個字母l和角度35 表示石英晶片繞長度逆時針旋轉35 如圖 Y 又如 XYtl 5 50 切型 它表示石英晶片原始位置的厚度沿X軸方向 長度沿Y軸方向 先繞厚度t逆時針旋轉5 再繞長度l順時針旋轉50 如圖 習慣符號表示法是石英晶體特有的表示法 它由兩個大寫的英文字母組成 例如 AT BT CT DT NT MT和FC等 O O 50 Z Z Z Y Y 5 Z X Y a 石英晶片原始位置 b 石英晶片的切割方位 二 壓電陶瓷1 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 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(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)定性和機械強度不如石英晶體 2 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷 PZT 鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb Zr Ti O3 它與鈦酸鋇相比 壓電系數(shù)更大 居里溫度在300 以上 各項機電參數(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 如鈮 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用最廣泛的壓電材料 4 壓電半導體材料如ZnO CdS ZnO CdTe 這種力敏器件具有靈敏度高 響應時間短等優(yōu)點 此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料 可測取力和溫度等參數(shù) 3 壓電聚合物聚二氟乙烯 PVF2 是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應較強的聚合物薄膜 這種合成高分子薄膜就其對稱性來看 不存在壓電效應 但是它們具有 平面鋸齒 結構 存在抵消不了的偶極子 經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列 并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子 當在膜厚方向加直流高壓電場極化后 就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜 這種薄膜有可撓性 并容易制成大面積壓電元件 這種元件耐沖擊 不易破碎 穩(wěn)定性好 頻帶寬 為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末 制成混合復合材料 PVF2 PZT 一 壓電式加速度傳感器 二 壓電式壓力傳感器 三 壓電式流量計 四 集成壓電式傳感器 五 壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應用 三 壓電式傳感器的應用 當傳感器感受振動時 因為質量塊相對被測體質量較小 因此質量塊感受與傳感器基座相同的振動 并受到與加速度方向相反的慣性力 此力F ma 同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運動方向 2 1 3 4 5 縱向效應型加速度傳感器的截面圖 一 壓電式加速度傳感器其結構一般有縱向效應型 橫向效應型和剪切效應型三種 縱向效應是最常見的 如圖 壓電陶瓷4和質量塊2為環(huán)型 通過螺母3對質量塊預先加載 使之壓緊在壓電陶瓷上 測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起 輸出信號由電極1引出 q d33F d33ma 此式表明電荷量直接反映加速度大小 其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質量塊質量有關 為了提高傳感器靈敏度 一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片 若增加質量塊質量會影響被測振動 同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率 因此一般不用增加質量辦法來提高傳感器靈敏度 此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度 連接方式 圖 a 為并聯(lián)形式 片上的負極集中在中間極上 其輸出電容C 為單片電容C的兩倍 但輸出電壓U 等于單片電壓U 極板上電荷量q 為單片電荷量q的兩倍 即圖 b 為串聯(lián)形式 正電荷集中在上極板 負電荷集中在下極板 而中間的極板上產(chǎn)生的負電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消 從圖中可知 輸出的總電荷q 等于單 片電荷q 而輸出電壓U 為單片電壓U的二倍 總電容C 為單片電容C的一半 即 a 并聯(lián) b 串聯(lián) 疊層式壓電元件 并聯(lián)接法 輸出電荷大 時間常數(shù)大 宜用于測量緩變信號 并且適用于以電荷作為輸出量的場合 串聯(lián)接法 輸出電壓大 本身電容小 適用于以電壓作為輸出信號 且測量電路輸入阻抗很高的場合 二 壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同 壓電式測壓傳感器有各種不同的結構形式 但它們的基本原理相同 壓電式測壓傳感器的原理簡圖 它由引線1 殼體2 基座3 壓電晶片4 受壓膜片5及導電片6組成