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1、是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 从而实现非电量测量 压电传感元件是力敏感元件 所以它能测量最终能变换为力的那些物理量 例如力 压力 加速度等 压电式传感器具有响应频带宽 灵敏度高 信噪比大 结构简单 工作可靠 重量轻等优点 近年来 由于电子技术的飞速发展 随着与之配套的二次仪表以及低噪声 小电容 高绝缘电阻电缆的出现 使压电传感器的使用更为方便 因此 在工程力学 生物医学 石油勘探 声波测井 电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用 第六章压电式传感器 压电效应 压电材料 压电式传感器的测量电路 一 压电效应正压电效应 顺压电效应 某些电介质 当沿着一定方
2、向对其施力而使它变形时 内部就产生极化现象 同时在它的某两个表面上产生极性相反的电荷 当外力去掉后 又重新恢复不带电状态的现象 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 当在电介质的极化方向施加电场 这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力 当外加电场撤去时 这些变形或应力也随之消失的现象 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 压电效应 石英晶体的压电效应 压电陶瓷的压电效应 一 石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体 在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示 其中纵向轴Z Z称为光轴 经过正六面体棱线 并垂直于光轴的X X轴称为电轴 与X X轴
3、和Z Z轴同时垂直的Y Y轴 垂直于正六面体的棱面 称为机械轴 Z X Y a b 石英晶体 a 理想石英晶体的外形 b 坐标系 Z Y X 通常把沿电轴X X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 纵向压电效应 而把沿机械轴Y Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 横向压电效应 沿光轴Z Z方向受力则不产生压电效应 石英晶体具有压电效应 是由其内部结构决定的 组成石英晶体的硅离子Si4 和氧离子O2 在Z平面投影 如图 a 为讨论方便 将这些硅 氧离子等效为图 b 中正六边形排列 图中 代表Si4 代表2O2 b a Y X X Y 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
4、效为正六边形排列的投影 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 如图 a 所示 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 Y X a FX 0 P1 P2 P3 当晶体受到沿X方向的压力 FX0 在Y Z方向上的分量为 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0由上式看出 在X轴的正向出现正电荷 在Y Z轴方向则不出现电荷 FX X Y FX b FX 0 P1 P2 P3 P1 P2 P3 X 0 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0 c FX 0 Y X
5、 FX FX P2 P3 P1 当晶体受到沿X方向的拉力 FX 0 作用时 其变化情况如图 c 此时电极矩的三个分量为 在X轴的正向出现负电荷 在Y Z方向则不出现电荷 可见 当晶体受到沿X 电轴 方向的力FX作用时 它在X方向产生正压电效应 而Y Z方向则不产生压电效应 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似 当FY 0时 晶体的形变与图 b 相似 当FY 0时 则与图 c 相似 由此可见 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 c FX 0 Y X FX FX P2 P3 P1 FX X Y FX b FX 0 P1 P2 P3
6、 晶体在Z轴方向力FZ的作用下 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 这就表明 沿Z 即光轴 方向的力FZ作用下 晶体不产生压电效应 假设从石英晶体上切下一片平行六面体 晶体切片 使它的晶面分别平行于X Y Z轴 如图 并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面 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 在晶体线性弹性范围内 极化强度PXX与应力 XX成正比 即 Z Y X b l 石英晶体切片 t 式中FX X轴方向的力 d11 压电系数 当受力方向和变形不同时 压电系数也不同 石英晶
7、体d11 2 3 10 12CN 1 l b 石英晶片的长度和宽度 极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度 即 式中qX 垂直于X轴平面上的电荷 将上两式整理 得 式中 电极面间电容 其极间电压为 如果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 其极性见图 c d 此时电荷的大小为 c d FY FY X X 式中d12 石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数 根据石英晶体轴对称条件 d11 d12 则上式为式中t 晶片厚度 则其极间电压为 二 压电陶瓷的压电效应压电陶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
8、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 a 在外电场的作用下 电畴的极化方向发生转动 趋向于按外电场的方向排列 从而使材料得到极化 如图 b 所示 极化处理之后 陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化 如图 c 所示 直流电场E 剩余极化强度 剩余伸长 电场作用下的伸长 a 极化处理前 b 极化处理中 c 极化处理后 但是 当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时 却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度 这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来 即在陶瓷的一端出现
9、正束缚电荷 另一端出现负束缚电荷 由于束缚电荷的作用 在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷 这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等 它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用 所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度 如图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F 如图 陶瓷片将产生压缩形变 图中虚线 片内的正 负束缚电荷之间的距离变小 极化强度也变小 因此 原来吸附在电极上的自由电荷 有一部分被释放 而出现放电荷现象 当压力撤消后 陶瓷片恢复原状 这是一个膨胀过程 片内的正 负电荷之间的距离变大 极化强度也变大 因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象 这种由机械效
10、应转变为电效应 或者由机械能转变为电能的现象 就是正压电效应 同样 若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 如图 由于电场的方向与极化强度的方向相同 所以电场的作用使极化强度增大 这时 陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大 就是说 陶瓷片沿极化方向产生伸长形变 图中虚线 同理 如果外加电场的方向与极化方向相反 则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变 这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象 就是逆压电效应 逆压电效应示意图 实线代表形变前的情况 虚线代表形变后的情况 极化方向 电场方向 由此可见 压电陶瓷所以具有压电效应 是由于陶瓷内部存在自发极化 这些自发极化经过极化工序处理而被迫
11、取向排列后 陶瓷内即存在剩余极化强度 如果外界的作用 如压力或电场的作用 能使此极化强度发生变化 陶瓷就出现压电效应 此外 还可以看出 陶瓷内的极化电荷是束缚电荷 而不是自由电荷 这些束缚电荷不能自由移动 所以在陶瓷中产生的放电或充电现象 是通过陶瓷内部极化强度的变化 引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果 二 压电材料种类 压电晶体 如石英等 压电陶瓷 如钛酸钡 锆钛酸铅等 压电半导体 如硫化锌 碲化镉等 对压电材料特性要求 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 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 希望具有高电阻率和大介电常数
12、 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 一 石英晶体石英 SiO2 是一种具有良好压电特性的压电晶体 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好 在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化 如下两图 由图可见 在20 200 范围内 温度每升高1 压电系数仅减少0 016 但是当到573 时 它完全失去了压电特性 这就是它的居里点 1 00 0 99 0 98 0 97 0 96 0 95 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 dt d20
13、斜率 0 016 t 石英的d11系数相对于20 的d11温度变化特性 6 5 4 3 2 1 0 100 200 300 400 500 600 t 相对介电常数 石英在高温下相对介电常数的温度特性 石英晶体的突出优点是性能非常稳定 机械强度高 绝缘性能也相当好 但石英材料价格昂贵 且压电系数比压电陶瓷低得多 因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中 因为石英是一种各向异性晶体 因此 按不同方向切割的晶片 其物理性质 如弹性 压电效应 温度特性等 相差很大 为了在设计石英传感器时 根据不同使用要求正确地选择石英片的切型 二 压电陶瓷1 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡 BaTiO3 是由碳酸钡 BaC
14、O3 和二氧化钛 TiO2 按1 1分子比例在高温下合成的压电陶瓷 它具有很高的介电常数和较大的压电系数 约为石英晶体的50倍 不足之处是居里温度低 120 温度稳定性和机械强度不如石英晶体 2 锆钛酸铅系压电陶瓷 PZT 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb Zr Ti O3 它与钛酸钡相比 压电系数更大 居里温度在300 以上 各项机电参数受温度影响小 时间稳定性好 此外 在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素 如铌 锑 锡 锰 钨等 还可以获得不同性能的PZT材料 因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料 4 压电半导体材料如ZnO CdS CdTe
15、 这种力敏器件具有灵敏度高 响应时间短等优点 此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料 可测取力和温度等参数 3 压电聚合物聚二氟乙烯 PVF2 是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜 这种合成高分子薄膜就其对称性来看 不存在压电效应 但是它们具有 平面锯齿 结构 存在抵消不了的偶极子 经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列 并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子 当在膜厚方向加直流高压电场极化后 就可以成为具有压电性能的高分子薄膜 这种薄膜有可挠性 并容易制成大面积压电元件 这种元件耐冲击 不易破碎 稳定性好 频带宽 为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末 制成混合复合材料 PVF2 PZT
16、 三 压电式传感器的测量电路 一 等效电路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 可把压电传感器看成一个静电发生器 如图 a 也可把它视为两极板上聚集异性电荷 中间为绝缘体的电容器 如图 b 其电容量为 q q 电极 压电晶体 Ca b a 压电传感器的等效电路 当两极板聚集异性电荷时 则两极板呈现一定的电压 其大小为 因此 压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路 如图 a 也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ca的并联电路 如图 b 传感器内部信号电荷无 漏损 外电路负载无穷大时 压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存 否则电路将以某时间常数按指数规律放电 这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利 必然带来误差 事实上 传感器内部不可能没有泄漏 外电路负载也不可能无穷大 只有外力以较高频率不断地作用 传感器的电荷才能得以补充 因此 压电晶体不适合于静态测量 如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时 则应考虑连线的等效电容 前置放大器的输入电阻 输入电容 压电传感器的完整等效电路 Ca传感器的固有电容Ci前置放大
