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1、2020/7/29,1,第八章 压电式传感器,压电效应 压电材料 压电传感器的等效电路与测量线路 压电式传感器： 加速度传感器 力传感器 压力传感器 压电式传感器的误差分析,研究内容：,2020/7/29,2,8.1 压电效应,顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。 逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应-驱动器。,2020
2、/7/29,3,压电传感器的特点,1）磁电式速度传感器响应频率范围窄； 2）磁电式机械运动部件容易损坏； 3）磁电式传感器质量大，造成系统附加质量大。,与磁电式传感器的比较：,力敏感传感器，可测力、压力、加速度等 双向有源传感器 体积小、重量轻 结构简单、工作可靠 频带宽,2020/7/29,5,一、石英晶体（SiO2)的压电效应,特点： 石英晶体是各向异性晶体 晶体分右（左）旋 外形规则,2020/7/29,6,石英晶体的三个晶轴,光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。 机械轴（Y
3、轴）：垂直于XZ面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。,2020/7/29,7,石英晶体压电效应机理,电偶极矩P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。,2020/7/29,8,当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六边形的顶角上, 形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。,2020/7/29,9,受到X方向的力纵向压电效应,晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离子的相对位置也随之变动。 此时正负电荷重心不再重合。 电偶极矩在x方向上的分量由于P
4、3的减小和P1、P2的增加而不等于零, 在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之改变。,2020/7/29,10,受到Y方向的力横向压电效应,当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P3增大, P1、P2 减小。 在垂直x轴表面上出现电荷, 它的极性为：x轴正向为负。 在y轴方向上不出现电荷。 当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之改变。,2020/7/29,11,受到Z方向的力没有压电效应产生,如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表
5、明沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。 ,2020/7/29,12,受到三向等压力没有压电效应产生,如果沿x、y、z轴方向施加相同的作用力, 只有体积变化，没有形变，正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零， 晶体不会产生压电效应，即没有体积变形的压电效应。 ,2020/7/29,13,二、压电陶瓷的压电效应,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。如BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3 。 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷
6、呈中性, 不具有压电性质。,2020/7/29,14,压电陶瓷极化处理,在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向变化不大, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。 极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。,2020/7/29,15,压电效应演示,2020/7/29,16,三、压电常数和表面电荷计算,1、压电效应的表达式：,j: j方向的应力 dij:j方
7、向的力使得i面产生电荷的压电常数 ij:j方向的力在i面产生的电荷密度,电荷量：,面积,2020/7/29,17,i(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在i面上产生电荷。1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面 j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单向正应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力,2020/7/29,18,压电特性的矩阵表示,2020/7/29,19,关于压电特性矩阵的说明：,表示压电元件的能量转换方式 dij的大小表示压电效应的强弱 若矩阵中某一dij=0,则表示在j方向上的应力在i方向上没有压电效应 是选择转换元
8、件、确定压电效应产生方向、转换效率的重要依据,设计思考：测量什么？如何测量？,2020/7/29,20,压电效应能量转换的几种基本形式,厚度拉（压）型,长度拉（压）型,2020/7/29,21,厚度切变型,厚度切变型,三力相等：压电陶瓷受压变体积型,2020/7/29,22,正压电效应与剪切压电效应比较,2020/7/29,23,2、石英晶体的压电常数和表面电荷计算,在x面上产生电荷：,在1作用下，产生厚度变形（纵向压电效应）,2020/7/29,24,在2作用下，产生长度变形（横向压电效应）,由石英晶体的对称性：,2020/7/29,25,在3作用下，没有压电效应,实验研究，在剪切应力4、
9、5 、 6作用下：,2020/7/29,26,在x面上产生电荷：,2020/7/29,27,实验研究，在y面上产生电荷,其它方向的压电系数为：,正应力：,剪切应力：,在Z面上产生电荷,2020/7/29,28,石英晶体的压电方程,2020/7/29,29,2020/7/29,30,石英晶体的基本变形形式,厚度受力变形（d11),长度受力变形（d12),2020/7/29,31,2020/7/29,32,厚度剪切变形(d26),2020/7/29,33,3、压电陶瓷的压电常数和表面电荷计算,z:极化方向；x、y可以互换。,2020/7/29,34,1）在1、 2、 3作用下，z面产生电荷(d31
10、0, d320, d330 ）,可以互换方向：x(或1)和y（或2）； 推论： x、y方向的剪应力可以互换，即数字4、5。,2020/7/29,35,2）在4作用下，在y面产生电荷(d240）厚度切变型,y,2020/7/29,36,3）在T5作用下，在x面产生电荷(d150）厚度切变,2020/7/29,37,压电陶瓷压电方程,2020/7/29,38,2020/7/29,39,压电陶瓷变形形式：,厚度变形：d33 长度变形： d31 、d32 厚度剪切变形： d24、 d15 体积变形：d31 、d32 、d33,2020/7/29,40,练习,例1、已知石英晶体的压电系数矩阵如下所示，当
11、晶体受到机械应力作用时，有哪几种变形方式具有力电能量转换的作用（即具有压电效应）？,d11 d12 0 d14 0 0,dij = 0 0 0 0 d25 d26 0 0 0 0 0 0,压电陶瓷,2020/7/29,41,8.2 压电材料,压电晶体 压电陶瓷 高分子压电材料,压电材料：明显呈现压电效应的敏感功 能材料。,性能要求：大压电系数、刚度、电阻率和介电系数、机械强度高、居里点高等。,常用压电材料：,2020/7/29,42,一、压电晶体,1、石英晶体的几何切型：在晶体坐标中取某一方位的切割.,石英、酒石酸钾钠、电气石、鳞酸铵、硫酸锂等.,2020/7/29,43,X切族,X切族的IR
12、E表示方法：xy,Y切族的IRE表示方法：yx,2020/7/29,44,几何切型的表示方法：,切型代号： 表示原始方位,晶片旋转角： 从x或y的正端看，逆时针为+，顺时针为-,旋转轴,例如：（xytl)+50/(-500),2020/7/29,45,石英晶体的基本切型,习惯表示,习惯表示,2020/7/29,46,例1：（yxl)+35015(AT切型）,2020/7/29,47,例2 （xytl)+50/(-500)(NT切型）：,绕厚度 轴转,绕长度 轴转,2020/7/29,48,2、石英晶体的主要性能,不需要人工极化 没有热释电效应 介电常数、压电常数的温度稳定性好 居里点温度高：5
13、730 C 居里点：压电材料开始丧失压电性能的温度 性能稳定、机械强度高,2020/7/29,49,二、压电陶瓷,钛酸钡（BaTiO3） ： 1）最早使用； 2）由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成； 3）d15=260PC/N,d31=-78PC/N,d33=190PC/N ，是石英的几十倍； 4）工作温度最高只有80, 温度稳定性和机械强度都不如石英。,铌酸锂（LiNbO3)单晶： 1）多畴结构，需要极化处理； 2）压电常数达80PC/N; 3)工作温度760。,2020/7/29,50,压电陶瓷,锆钛酸铅（PZT）：(有4、5、8等多种系列） 1）目前普遍使用； 2）是钛酸钡（Ba
14、TiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成； 3） d15=410,d31=-100,d33=200； 4）工作温度250 。性能远优于钛酸钡。,2020/7/29,51,三、聚偏二氟乙烯（PVF2),有机高分子半晶态聚合物，定向拉伸后，由晶型转化为晶型，此时有压电效应； 压电常数在拉伸长度方向最大，d31=20PC/N,垂直于长度方向的压电常数 d320.2 d31; 频响范围宽，10-5Hz500MHz; 柔软，加工性能好； 声阻抗与水、人体肌肉接近； 热稳定性好。,2020/7/29,52,常用压电材料的性能参数比较,如果环境温度高，宜选择何种材料？,如果温度环境好，灵敏度要求较高呢？,20
15、20/7/29,53, 8.3 等效电路和测量电路,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板, 极板间物质等效于一种介质, 则其电容量为：,A压电片的面积; d压电片的厚度; r压电材料的相对介电常数。,2020/7/29,54,电荷等效电路,电压等效电路,2020/7/29,55,考虑实际使用的等效电路实际使用时与测量仪器或测量电路相连接, 因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc,压电传感器的泄漏电阻Ra，和放大器的输入电阻Ri、 输入电容Ci。,2020/7/29,56,压电传感器的特点以及对信号处理电路的要求：,特点： 有源传感器 高阻抗传感器 小功率 要求： 阻抗变换 信号放大,20
16、20/7/29,57,测量电路,压电传感器的内阻抗很高, 而输出能量较小,高输入阻抗的前置放大器,1）把高输出阻抗变换为低输出阻抗; 2）放大传感器输出的微弱信号。,输出形式：电压信号、电荷信号,2020/7/29,58,前置放大器两种形式: 电压放大器和电荷放大器。,一、电压放大器,2020/7/29,59,以压电陶瓷为压电材料(纵向压电效应）：,厚度 方向,2020/7/29,60,前置放大器输入电压幅值为：,2020/7/29,61,输入电压与作用力之间的相位差为：,理想情况下（输入电阻Ri 、且无漏电：Ra）R=Ri|Ra= ,放大器输入电压幅值为：,频率特性,2020/7/29,62,令：,从幅度-频率曲线能 得到什么结论？,2020/7/29,63,讨论：,=0时（静态） ，Uinm/Uam=0（输入电压为零） 原因：由于等效电阻不可能无穷大，存在电荷泄漏，所以不能测量静态量。 3（动态），Uinm/Uam1，接近理想特性。 一定频率范围，输入电压与作用力频率无关。 一定，越高，响应越好。 对低频：一定，误差
