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1、2019/5/22,1,机电类 自动检测技术 第六章 多媒体课件 统一书号： ISBN 978-7-111-34300-4 课程配套网站 www.sensor- 或 2017年4月版,本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、压电元件、等效电路、电荷放大器、压电传感器的结构及应用，振动的基本概念、振动传感器及振动频谱分析等。,第六章 压电传感器,6.1 压电传感器的工作原理 6.2 压电传感器的测量转换电路 6.3 压电传感器的结构和应用 6.4 振动测量及频谱分析,第六章 压电传感器 目录,第一节 压电传感器的工作原理,压电式传感器的特点： 是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在
2、外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。,一、压电效应,天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压电效应 。还有一些人造材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。,石英晶体,石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中
3、有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。,天然石英晶体外形,天然石英晶体外形（续）,天然石英晶体的结构及剖面,2019/5/22,10,天然石英晶体的三个轴,在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。,经过正六面体棱线，并垂直于光轴的轴线称为电轴，也称x轴；经过正六面体的棱面且垂直于光轴的轴线称为机械轴，也称y轴。,天然石英晶体的三个面,从石英晶体上切割出一块
4、平行六面体的切片，再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面分别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴（y轴）。,石英晶体切片的三个面（续）,在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面产生电荷； 在x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。,l、b分别为石英晶片的长度、厚度和高度。电荷只产生在与x轴垂直的x面的前后两侧。,石英晶体的特性,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。 在20200范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016。但是当到5
5、73时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。,石英的d11系数相对于20的d11温度变化特性,石英在高温下相对介电常数的温度特性,石英晶体的切片,石英晶体片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较,1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx 式中 的 d11称为压电常数。 2.在y轴方向施加压力Fy时，仍然在x面上产生电荷： 式中的 l、为石英 晶片的长度和厚度。,石英晶体的压电效应演示,当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的
6、电荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。,1正电荷等效中心 2负电荷等效中心,压电效应的微观分析 未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电,1正电荷等效中心 2负电荷等效中心,晶体沿x面受压力时的带电情况分析 石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电,Q=d11Fx,1正电荷等效中心 2负电荷等效中心,晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离, x面的上表面带负电,下表面带正电。 受交变力时，产生交变电信号。,y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情况。但产生的电荷量可能比沿
7、x轴方向施拉力时的电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比 l/的倍数而不同。,沿 y 面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生分离, x面的上表面带负电,下表面带正电,无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。,沿 y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带正电,下表面带负电， 带电的方向与x面受压力时的情况相同,交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。,对压电元件施加交变力，产生交变电荷,产生的交变电荷的变化频率与交变力
8、的频率相同，等效于交变电荷源。,外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存时间通常小于几秒,而且要求放大器的输入电阻Ri无限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。,压电元件的等效电路 交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra 。 极间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成正比；漏电电阻Ra应大于1M。,如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。,逆压电效应,实线代表未施加激励电压的形变前的状态 虚线代表在激励源的正半
9、周，压电材料拉长形变后的状态。 在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出)。,逆压电效应示意图,清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁” 鸣沙山上的逆压电效应,鸣沙丘,煤气灶压电点火器,另一种是利用压电陶瓷制成的。使劲扭动打火按钮，“撞击块”敲击多块串联的压电陶瓷，就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气。压电陶瓷还可以制成电子打火机，可使用100万次以上。,28,煤气灶上的点火器有两种。一种为有源点火器，要依靠干电池逆变电路产生高压电火花；,压电陶瓷变压器,压电陶瓷变压器是一块具有不同极化方向的压电陶瓷，同时利用正压电效应和逆压电效应来产生高电压的器件。两次能量转换为：中频电
10、能激励机械振动能中频高压电能。 常用的是长条形单片Rosen型压电陶瓷变压器。压电变压器的左半部上下两面有烧渗的银电极，作为电压输入端，称为驱动部分;右半部分的端头烧渗银电极，作为输出端，称为发电部分。当一个交变电压加到压电变压器的输入端时，在输入端,沿厚度方向引起陶瓷体的收缩与拉伸，这种应变沿长度方向传递，使压电变压器沿长度方向产生连续的正弦波电压（正压电效应），将机械能转换为电能。由于长度是厚度的几十倍，又由于纵驻波的加强效应，输出电压倍增。,29,压电陶瓷高压变压器电路,压电变压器可用于电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发生装置。,3
11、0,二、压电材料的分类及特性,压电传感器中的压电元件材料常用的有三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是经过极化处理的高分子压电材料。,压电材料的分类,.,石英晶体的特性,石英晶体在20200的范围内压电常数的变化量只有-0.0001/。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 石英晶体的不足之处是压电常数较小： d=2.3110-12C/N。因此石英晶体大多只在标准传感器、高准确度传感器或使用高温压电传感器中使用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。,2019/5/22,34,石英晶体的
12、等效电路,L1为动态电感 ； C1为动态电容； R1为损耗电阻； C0为晶体的静态电容。,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,晶振,石英晶体还可制作晶体振荡器 （晶振）,石英晶体的切片方向与稳定性之间的关系,必须严格控制晶片的切割角度。使在正常的工作温度范围内，不至超过所要求的容许误差。 晶片在切割、抛光的连续加工过程中，都会因加工的准确度不同，导致一定的离散型，使温度漂移变大，灵敏度不一致等。,（二）压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶
13、瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。,压电陶瓷外形,压电陶瓷的工作原理,压电陶瓷是一种多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件下，经1000以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。为了使压电陶瓷具有压电效应,必须在高温下，在上下端面镀上电极，用上千伏高电压进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。,压电陶瓷的
14、极化处理,a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布 1镀银上电极 2压电陶瓷 3镀银下电极 4电畴 5极化高压电源 细微的电畴极化方向,压电陶瓷极化的影响因素,极化电场和极化温度越高，促使电畴取向排列的作用越大，极化就越充分。常用压电陶瓷材料的极化温度取320420K，极化时间从几分钟到几十分钟。,常用的压电陶瓷材料,（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数d（200500）10-12C/N。在上述材料中加入微量的镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同性能的PZT材料。 （2）非铅系压电陶瓷：能
15、减少制造过程中铅对环境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。,无铅压电陶瓷,锆钛酸钡钙的压电系数达到600pC/N，压电性能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250pC/N）。无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。,压电陶瓷与石英晶体的特性比较,.,（三）高分子压电材料,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等
16、。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。,（三）高分子压电材料,高分子压电材料是一种柔性的压电元件。密度仅为压电陶瓷的14，弹性柔顺常数比陶瓷大30倍。 可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、银等金属电极，电极厚度约0.1m，再层压在0.125mm聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。 高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器件、扬声器等。,高分子压电材料的种类、加工,典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）、聚甲
