鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷PZT

1、第5章壓電式傳感器本章主要介紹以下內(nèi)容:1、壓電式傳感器工作原理2、等效電路和測量電路3、壓電式傳感器的應(yīng)用重點是掌握壓電式傳感器的轉(zhuǎn)換原理，兩種放大 電路的分析及傳感器的應(yīng)用。5.1工作原理1、壓電效應(yīng)及壓電材料對于某些晶體或陶瓷:當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn) 象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場撤離,變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。石英晶體X(a)斥旋右英晶體(b)右

2、英晶休的晶軸X(a)斥旋右英晶體(b)右英晶休的晶軸X(a)斥旋右英晶體(b)右英晶休的晶軸ZYZXX(a)斥旋右英晶體(b)右英晶休的晶軸ZAY、b石英晶體壓電效應(yīng)示意圖丄沿X軸或Y軸作用力，產(chǎn)生壓電效應(yīng); 丄沿Z軸作用力，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)壓電片受力電荷極性縱向壓電效應(yīng) （沿X軸作用力）橫向壓電效應(yīng) （沿Y軸作用力）石英晶體受力方向與電荷極性的關(guān)系壓電陶瓷+加直流電場>極化前出e旺e«哥職極化過程示意z 受力方向fx(b)fxZ$（極化方向）(c)(a)壓電陶瓷的極化過程和壓電原理圖壓電方程與壓電系數(shù)>剪切力的作用方向Q = diP壓電常數(shù)）丄壓電常數(shù)下標(biāo)的含義：第一個下

3、標(biāo)：表示極化方向，i=l, 2, 3分別代表X, Y, Z軸；第二個下標(biāo)：表示作用力的方向,j二1, 2, 3, 4, 5, 6分別代表沿X軸，Y軸，Z軸方向的單向應(yīng)力和 垂直于X軸，Y軸，Z軸平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作 用的剪切力；壓電材料:對壓電材料的要求:轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù); 機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng) 度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有 振動頻率； 電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期 望減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； 溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點、以期望 得到寬的工作溫度范

4、圍； 時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。分類: 丄單晶體石英(SjO):最早使用，天然晶體，穩(wěn)定，高 強(qiáng)度，溫度穩(wěn)定性好，但壓電常數(shù)??；水溶性壓電晶體(酒石酸鉀鈉、硫酸鋰等) 壓電常數(shù)大，但受溫、濕度影響大；規(guī)酸鋰晶體:耐高溫、壓電性能和時間穩(wěn)定性好，但質(zhì)脆，熱沖擊性差;丄多晶體（壓電陶瓷）鈦酸頓壓電陶瓷:壓電常數(shù)高，價格便宜，但機(jī)械 強(qiáng)度較差；錯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）:性能教穩(wěn)定，壓電常數(shù)較高；規(guī)酸鹽系壓電陶瓷:居里點較高和機(jī)械強(qiáng)度較高;規(guī)鎂酸鉛壓電陶瓷:居里點和壓電常數(shù)較高， 可在高溫及高壓下工作。丄有機(jī)壓電材料（壓電橡膠、塑料等）柔軟、不易破碎，可大量生產(chǎn)，面積較大11常用壓電材料性

5、能參數(shù)電材料 性能參亦、石英鈦酸規(guī)錯鈦酸鉛PZT4*鉆鈦酸鉛PZT-5箔鈦酸鉛PZ 丁 8壓電常數(shù)/CpC/N）= 2 3L如=0. 73乩6 = 260 込=一78尙=190叢嚴(yán)410 必 i = 100必? = 230亦戍尺淞了0心戶1滋溜=6 00330 ” 9°200相對介電常數(shù)（務(wù)）:4 5'1200105021001000居里點溫度/C116310細(xì)300密度.I® kg/mT2. 655.57. 457.3:7. 45彈性模量/（1小N/n?）8011083.3137123機(jī)械品質(zhì)因數(shù)500'呦最大安全應(yīng)力/（105N/mf）95 Q0817G

6、7683體積電阻率/（Gm> 1O1310(25-0!>1G,C10,l(25C)最蔑允許溫度廠C55080：250250-最高允許濕度/），1QO100 .1001002、壓電式傳感器壓電兀件的連接形式(a)并聯(lián)C = 2C, Uf = U Q = 2QCf = C/2 Q' = 2S Qf = Q壓電元件受力后的變形方式:(d)面切變形(FS)(e)剪切變形(TS)(d)面切變形(FS)(e)剪切變形(TS)(a)厚度變形(TE)(C)體積變形(VE)(d)面切變形(FS)(e)剪切變形(TS)5.2等效電路和測量電路壓電式傳感器對被測量的變化是通過其壓電元件產(chǎn)生電荷量

7、 的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個電荷源。壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當(dāng)于一個以壓電材料 為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：式中S-極板面積壓電材料相對介電常數(shù)80"真空介電常數(shù)壓電元件厚度壓電元件受外力作用時，兩表面產(chǎn)生等量的正負(fù)電 荷Q,壓電元件的開路電壓U為U=Q/CaOIIO(a)電荷源0和電容Ca并聯(lián)(b)電源S和電容Ca串聯(lián)等效電路實際等效電路電荷等效電路G(b)電壓等效電路測量電路壓電傳感器的測量系統(tǒng)如圖壓電式傳感器前置放大器的作用：放大壓電元件的微弱信號；高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵觥?.電壓放大器(a)電壓放大器等效電路I(b)簡化電路416OPA60442100Q10kQ1MQ屏蔽線壓電元件4141電壓輸出型壓電傳感器測量電路2電荷放大器I qqUQo2 3Ur8o 一6q電荷輸出型壓電傳感器測量電路5.3壓電式傳感器的應(yīng)用壓電元件是一種典型的力敏感元件。具有體積小、 重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、固有頻率高、靈敏 度和信嗓比高等優(yōu)點，應(yīng)用廣泛。在檢測技術(shù)中， 常用來測量力和加速度等。它的主要缺點是無靜態(tài)輸出，要求有很高的輸出阻 抗，且一些壓電材料的工作溫度不高。1、壓電式測力傳感器2、壓電式加速度傳感器(a)單端中心壓縮式