【PPT课件】压电式传感器(001)

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1、第 5章 压电式传感器 压电式传感器是一种典型的 有源传感器 (或发电型传感器 )。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 主要内容 5.1 压电效应（ 重点 ） 5.2 压电材料 5.3 压电式传感器的测量电路（ 重点、难点 ） 5.4 压电式传感器的应用 5.1 压电效应 压电效应： 某些电介质，当沿着一定方向对其 施力 而使它变形时，内部就产生 极化 现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的 电荷 ；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态。 当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应 (电致伸缩效应 ) ： 在电介质的极化

2、方向 施加电场 ，这些电介质也会产生 变形 。电场去掉后，变形随之消失。 主要内容 5.1.1 石英晶体的压电效应（重点） 5.1.2 压电陶瓷的压电效应 5.1.1 石英晶体的压电效应 光轴： 纵向轴 Z-Z； 电轴： 经过正六面体棱线，并垂直于光轴的 X-X轴； 机械轴： 与 X-X轴和 Z-Z轴同时垂直的 Y-Y轴 (垂直于正六面体的棱面 ) 。 纵向压电效应 ：把沿电轴 X-X方向的力作用下产生电荷的压电效应； 横向压电效应 ：把沿机械轴 Y-Y方向的力作用下产生电荷的压电效应。 图 5-1 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 5.1.1 石英晶体的压电效应 组成石英晶体

3、的硅离子 Si4+和氧离子 O2-在 Z平面投影，正六边形排列 。 图 5-2 硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在 Z平面上的投影 (b) 等效为正六边形排列的投影 5.1.1 石英晶体的压电效应 (1)晶体在 X轴方向力 FX作用下的情况： 当作用力 FX=0时，正、负离子 (即 Si4+和 2O2-)正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成 120 夹角的偶极矩 P1、 P2、P3 。 此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零 ，即 P1+P2+P3=0 图 5-3 石英晶体的压电机构示意图 (a) FX=0 (b) FX0 5.1.1 石英晶体的压电效应 当晶体受到沿 X方向的

4、压力 (FX 0 (P1+P2+P3) Y=0 (P1+P2+P3) Z=0 当晶体受到沿 X方向的 拉力 (FX0)作用时，晶体沿 Y方向将产生收缩。电偶极矩各个方向的分量为 (P1+P2+P3)X0时：与晶体受到沿 X方向的 压力 (FX 0)作用相似。 结论：晶体在 Y(即机械轴 )方向的力 FY作用下，使它在 X方向产生正压电效应，在 Y、 Z方向则不产生压电效应。 (3)晶体在 Z轴方向力 FZ的作用下的情况： 因为晶体沿 X方向和沿 Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。 结论：沿 Z(即光轴 )方向的力 FZ作用下，晶体不产生压电效应。

5、 5.1.1 石英晶体的压电效应 当晶片受到沿 X轴方向的压缩应力XX作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。 极化强度 PXX与 应力XX成正比，即 11 11XX X X XFP d dlb图 5-4 石英晶体切片 XXXqPlb11XXq d F11XXXXXqFUdCC0 rX lbCt根据 逆压电效应，晶体在 X轴方向将产生伸缩 ： t=d11UX 5.1.1 石英晶体的压电效应 在 X轴方向 施加压力 时，左旋石英晶体的 X轴正向带正电 ；如果作用力 FX 改为拉力，则在垂直于 X轴的平面上仍出现 等量电荷 ，但 极性相反 。 图 5-5 晶片上电荷极性与受力方向关系 5.1.

6、1 石英晶体的压电效应 在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷仍 在与 X轴垂直平面上出现，电荷的大小为 12 12X Y Y Yl b lq d F d Ft b t11X Y Ylq d Ft11XY YXXXqF lUdC t C 11 Xll d Ut d11=- d12 0 rXlbCt电极间电压 根据逆压电效应，晶片在 Y轴方向将产生伸缩： 结论： 无论是正或逆压电效应，其作用力 (或应变 )与电荷 (或电场强度 )之间呈线性关系； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 5.1.2 压电陶瓷的压电效应 压电陶

7、瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料。它具有类似铁磁材料磁畴结构的 电畴结构 。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图5-6(a)。 图 5-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图 (a)极化处理前 (b)极化处理过程中 (c)极化处理后 5.2 压电材料 对压电材料要求具有以下几方面特性。 转换性能 。要求具有较大压电常数。 机械性能 。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能 。希望具有高电

8、阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强 。温度和湿度稳定性要好，要求具有较 高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性 。要求压电性能不随时间变化。 主要内容 5.2.1 石英晶体 5.2.2 压电陶瓷 5.2.1 石英晶体 优点： 具有良好压电特性的压电晶体； 介电常数和压电系数的温度稳定性相当好； 图 5-10 石英的 d11系数相对于 20 oC的 d11 随温度变化特性 图 5-11 石英在高温下相对介电常数的温度特性 5.2.1 石英晶体 具有良好压电特性的压电晶体； 介电常数和压电系数的温度稳定性相当好； 性能非常稳定； 机械强度高；

9、绝缘性能也相当好。 缺点 石英材料价格昂贵； 压电系数比压电陶瓷低得多。 应用场合 一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中 5.2.1 石英晶体 切型 IRE标准规定的切型符号表示法和习惯符号表示法。 IRE标准规定的切型符号包括一组字母 (X、 Y、 Z、 t、 l、 b)和角度。 （ 1） 用 X、 Y、 Z中任意两个字母的先后排列顺序，表示石英晶片厚度和长度的原始方向； （ 2） 用 字母 t(厚度 )、 l(长度 )、 b(宽度 )表示旋转轴的位置。 （ 3） 当 角度 为正时表示逆时针旋转；当 角度 为负时，表示顺时针旋转。 例 1： (YXl)35 切型 ：其中第一个字母 Y表示石

10、英晶片在原始位置(即旋转前的位置 )时的厚度沿 Y轴方向，第二个字母 X表示石英晶片在原始位置时的长度沿 X轴方向，第三个字母 l和角度 35表示石英晶片绕长度逆时针旋转 35 。 例 2： (XYtl)5 /-50 切型 ：它表示石英晶片原始位置的厚度沿 X轴方向，长度沿 Y轴方向，先绕厚度 t逆时针旋转 5 ，再绕长度 l顺时针旋转 50 。 5.2.1 石英晶体 图 5-12 (YXl)35 切型 (a)石英晶片原始位置 (b)石英晶片的切割方位 图 5-13 (XYtl)5 /-50 切型 (a)石英晶片原始位置 (b)石英晶片的切割方位 5.2.1 石英晶体 习惯符号 IRE 符号

11、习惯符号 IRE 符号 AT （ XYl)35。 SC （ YXbl) 24。 24 / 34。 18 BT （ YXl)-49。 (-49。 49。 30) TS （ YXbl) 21。 55 / 33。 55 FT （ YXl)-57。 x-18.5。 （ XYt)-18。 31 X+5。 （ XYt)5。 MT （ XYt)8.5。 / 34。 CT （ YXl)37。 (37。 38。 ) NT （ XYtl)5 50。 (0。 8.5。 )/ 38。 70。 DT （ YXl)-52。 FC （ YXbl) 15。 / 34。 30 ET （ YXt)66。 30 GT （ YXlt

12、) 51。 / 45。 AC （ YXl)30。 RT （ YXbl) 15。 /-34。 30 BC （ YXl)-60。 LC （ YXbl) 11。 39.9/ 9。 23.6 ST （ YXl)42。 46 表 5-1 石英晶体两类切型符号之间对应关系 5.2.2 压电陶瓷 材 料 形状 压电系数 ( 10-12 C/N) 相对介电 系数 居里温度 ( C) 密 度 ( 103kg/m3) 机械品 质因数 石 英 -SiO2 单晶 d11=2.31 d14=0.727 4.6 573 2.65 105 钛酸钡 BaTiO3 陶瓷 d33=190 d31=-78 1700 120 5.7

13、 300 锆钛酸铅 PZT 陶瓷 d33=71590 d31=-100-230 4603400 180350 7.57.6 651300 硫化镉 CdS 单晶 d33=10.3 d31=-5.2 d15=-14 10.3 9.35 4.82 氧化锌 ZnO 单晶 d33=12.4 d31=-5.0 d15=-8.3 11.0 9.26 5.68 聚二氟乙烯 PVF2 延伸薄膜 d31=6.7 5 120 1.8 复合材料 PVF2 -PZT 薄膜 d31=1525 100120 5.56 表 5-2 常用压电材料的主要特性 5.3 压电式传感器的测量电路 主要内容 5.3.1 等效电路 5.3

14、.2 测量电路 5.3.1 压电式传感器的等效电路 1） 静电发生器： 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。 2） 电容器： 也可以把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的 电容器 ，其电容量为 0ra SSCFtt图 5-14 压电传感器的等效原理 5.3.1 压电式传感器的等效电路 当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，其大小为 1)一个电压源 Ua和一个电容器 Ca的串联电路 ； 2) 一个电荷源 q和一个电容器 Ca的并联电路 。 aaqUC图 5-15 压电传感器等效电路 (a)电压等效电路 (b)电荷等效电路 5.3.1 压电式传感器的等效电路 完整电荷等效电路： 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线的等效电容、电阻，前置放大器的输入电阻、输入电容。 图 5-16 压电传感器的完整等效电路 Ca 传感器的电容 Ci 前置放大器输入电容 Cc 连接导线对地电容 Ra 包括连接导线在内的传感器绝缘电阻 Ri 前置放大器的输入电阻 5.3.2 压电式传感器的测量电路 压电式传感器的前置放大器的两个作用： （ 1）把压电式传感器的 高输出阻抗变换成低阻抗输出 ； （ 2） 放大压电式传感器输出的弱信号 。 压电式传感器的前置放大器的两种类型