檢測(cè)技術(shù)6壓電式ppt課件

1、第第6 6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電傳感器。它的任務(wù)原理是基于壓電資傳感器。它的任務(wù)原理是基于壓電資料的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)料的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)早在早在1680年即已發(fā)現(xiàn)，年即已發(fā)現(xiàn)，1948年制造出年制造出第一個(gè)石英傳感器。第一個(gè)石英傳感器。下頁下頁前往前往第第6 6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理-壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)6.2壓電資料壓電資料6.3等效電路等效電路6.4丈量電路丈量電路6.5壓電式傳感器的運(yùn)用舉例壓電式傳感器的運(yùn)用舉例本章要點(diǎn)本章要點(diǎn)下頁下頁上

2、頁上頁前往前往6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理 某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向遭到外力作某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向遭到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化景象，同時(shí)在某兩個(gè)外表上用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化景象，同時(shí)在某兩個(gè)外表上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電形狀；當(dāng)作用力方向改動(dòng)時(shí)，電荷的極性也隨帶電形狀；當(dāng)作用力方向改動(dòng)時(shí)，電荷的極性也隨著改動(dòng)；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成著改動(dòng)；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述景象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體正比。上述景象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加

3、一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)活力械變形，外電施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)活力械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消逝，稱為逆壓電效應(yīng)。場(chǎng)撤離，變形也隨著消逝，稱為逆壓電效應(yīng)。 下頁下頁上頁上頁前往前往6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理|壓電式傳感器大都是利用壓電資料的壓電效應(yīng)制壓電式傳感器大都是利用壓電資料的壓電效應(yīng)制成的。在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)成的。在電聲和超聲工程中也有利用逆壓電效應(yīng)制造的傳感器。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的形狀可制造的傳感器。壓電轉(zhuǎn)換元件受力變形的形狀可分為分為 圖圖6-1所示的幾種根本方式。所示的幾種根本方式。|但由于壓電晶體的各向異性，并不是一切的壓電

4、但由于壓電晶體的各向異性，并不是一切的壓電晶體都能在這幾種變外形狀下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例晶體都能在這幾種變外形狀下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)。但它具有如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)。但它具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。下頁下頁上頁上頁前往前往6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理|壓電方程和壓電常數(shù)矩陣壓電方程和壓電常數(shù)矩陣|壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)|正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)某些晶體或多晶陶瓷遭某些晶體或多晶陶瓷遭到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化景象，到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化景象，外表上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷的景象；外表上產(chǎn)生符號(hào)相反的

5、電荷的景象；|逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)如對(duì)晶體施加一定電場(chǎng)，如對(duì)晶體施加一定電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)活力械變形的景象。晶體本身將產(chǎn)活力械變形的景象。下頁下頁上頁上頁前往前往6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理|天然石英晶體的構(gòu)造外形天然石英晶體的構(gòu)造外形|光軸光軸( Z軸軸):晶體的對(duì)稱軸晶體的對(duì)稱軸,光線沿光線沿Z軸經(jīng)過晶體軸經(jīng)過晶體不產(chǎn)生雙折射景象不產(chǎn)生雙折射景象,且無壓電效應(yīng)；且無壓電效應(yīng)；|電軸電軸(X軸軸):與該壓軸垂直的面，壓電效應(yīng)最為與該壓軸垂直的面，壓電效應(yīng)最為顯著顯著;|機(jī)械軸機(jī)械軸(Y軸軸):在外電場(chǎng)作用時(shí)，在此軸上產(chǎn)生在外電場(chǎng)作用時(shí)，在此軸上產(chǎn)生的機(jī)械變形最大。的機(jī)

6、械變形最大。下頁下頁上頁上頁前往前往6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理|壓電方程壓電方程壓電效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式壓電效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式|壓電效應(yīng)：晶體外表上產(chǎn)生的電荷與外壓電效應(yīng)：晶體外表上產(chǎn)生的電荷與外力作用大小成正比。力作用大小成正比。|準(zhǔn)確表達(dá)式準(zhǔn)確表達(dá)式|式中：式中：dij是壓電常數(shù)，單位為是壓電常數(shù)，單位為(C/N)；|Pi是電荷的外表密度，單位為是電荷的外表密度，單位為(C/cm2);|i是單位面積上的作用力應(yīng)力，是單位面積上的作用力應(yīng)力，|單位為單位為(N/cm2。下頁下頁上頁上頁前往前往dFQFQ iijidP6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理|壓

7、電常數(shù)矩陣：壓電常數(shù)矩陣：下頁下頁上頁上頁前往前往363534333231262524232221161514131211ddddddddddddddddddD636535434333232131626525424323222121616515414313212111ddddddddddddddddddDP|普通情況下壓電方程：普通情況下壓電方程：6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理|石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理：石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理：下頁下頁上頁上頁前往前往6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理下頁下頁上頁上頁前往前往|單向應(yīng)力單獨(dú)作用時(shí)單向應(yīng)力單獨(dú)作用時(shí)Fx、Fy及及

8、Fz ，只在外表只在外表A和和B上出現(xiàn)電荷，符號(hào)與上出現(xiàn)電荷，符號(hào)與Fx，F(xiàn)y有關(guān)：有關(guān)：|(1)P1 0， P2= P3= 0, (當(dāng)只需當(dāng)只需Fx或或Fy時(shí)時(shí))： | d11=-d12 0, d21=d31=0, d22=d32=0;|(2)P1= P2= P3= 0, (當(dāng)只需當(dāng)只需Fz時(shí)時(shí))：| d13=d23=d33=0; 6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理下頁下頁上頁上頁前往前往|剪切力單獨(dú)作用時(shí)，在外表剪切力單獨(dú)作用時(shí)，在外表A和和B及及C和和D上出現(xiàn)電荷：上出現(xiàn)電荷：|(3) P1 0， P2= P3= 0, (當(dāng)只需當(dāng)只需4時(shí)時(shí),使使晶體在晶體在x方向有伸縮

9、方向有伸縮,等效有等效有1作用作用)：| d14 0, d24=d34=0;|(4) P2 0， P1= P3= 0, (當(dāng)只需當(dāng)只需5、6時(shí)時(shí),改動(dòng)了晶體在改動(dòng)了晶體在y方向無電荷的情況方向無電荷的情況)：| d25 0, d26 0, d15=d35=0, d16=d36=0;6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理下頁下頁上頁上頁前往前往|壓電常數(shù)矩陣：壓電常數(shù)矩陣：000000200000001114141111dddddD對(duì)石英晶體對(duì)石英晶體。)/(1073. 0 ),/(1031. 212141211NCdNCd6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理下頁下

10、頁上頁上頁前往前往|壓電陶瓷壓電效應(yīng)機(jī)理壓電陶瓷壓電效應(yīng)機(jī)理|壓電陶瓷是一種經(jīng)過極化處置的人工多晶壓電陶瓷是一種經(jīng)過極化處置的人工多晶鐵電體。鐵電體。|多晶：由無數(shù)細(xì)微單晶組成；多晶：由無數(shù)細(xì)微單晶組成；|鐵電體：具有電疇構(gòu)造；鐵電體：具有電疇構(gòu)造；|電疇：分子自發(fā)構(gòu)成的極化方向一樣的小電疇：分子自發(fā)構(gòu)成的極化方向一樣的小區(qū)域。區(qū)域。6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理下頁下頁上頁上頁前往前往|極化處置：在一定溫度下，以強(qiáng)電場(chǎng)使極化處置：在一定溫度下，以強(qiáng)電場(chǎng)使“電疇電疇規(guī)那么陳列，余下了很強(qiáng)的剩余極化，壓電陶規(guī)那么陳列，余下了很強(qiáng)的剩余極化，壓電陶瓷資料外表出現(xiàn)束縛電荷，吸附

11、空氣中的自在瓷資料外表出現(xiàn)束縛電荷，吸附空氣中的自在電荷，構(gòu)成壓電陶瓷。電荷，構(gòu)成壓電陶瓷。|壓電常數(shù)矩：壓電常數(shù)矩：00000000000003331311515dddddD本卷須知：極化面在本卷須知：極化面在Z軸，而軸，而X，Y軸各向同性。軸各向同性。6.1 壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理壓電轉(zhuǎn)換元件的任務(wù)原理下頁下頁上頁上頁前往前往; SS ,SS , , SS , 23232313131333332121211111FdQFdQFdQFdQFdQ|單向應(yīng)力的壓電方程表達(dá)單向應(yīng)力的壓電方程表達(dá); , , , , 23231313333321211111dPdPdPdPdP其中，其中，P=Q/S，

12、 =F/S S為作用面的面積，為作用面的面積，);/(10190 ),/(1031. 212331211NCdNCd壓電陶瓷與石英晶體比較壓電陶瓷與石英晶體比較 壓電陶瓷效果顯著。壓電陶瓷效果顯著。6.2 壓電資料壓電資料 選用適宜的壓電資料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。普通應(yīng)選用適宜的壓電資料是設(shè)計(jì)高性能傳感器的關(guān)鍵。普通應(yīng)思索以下幾個(gè)方面：思索以下幾個(gè)方面： 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)；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

13、和高的固有振動(dòng)頻率；機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)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；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(diǎn)、以期望得到溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望得到寬的任務(wù)溫度范圍；寬的任務(wù)溫度范圍；時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。下頁下頁上頁上頁前往前往6.3 等效電路等效電路 壓電式傳感器對(duì)被丈量的變化是經(jīng)過其壓電元件產(chǎn)生電荷量壓電式傳感器對(duì)被丈量的變化是經(jīng)過其壓

14、電元件產(chǎn)生電荷量的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。的大小來反映的，因此它相當(dāng)于一個(gè)電荷源。 而壓電元件電極外表聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電而壓電元件電極外表聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電資料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：資料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為： sCra0式中式中 s-極板面積極板面積 r-壓電資料相對(duì)介電常數(shù)壓電資料相對(duì)介電常數(shù) 0 -真空介電常數(shù)真空介電常數(shù) -壓電元件厚度壓電元件厚度下頁下頁上頁上頁前往前往Ra是壓電元件的漏電阻是壓電元件的漏電阻6.3 等效電路等效電路 當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩外表產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩外表產(chǎn)生等量的正、負(fù)

15、電荷Q，壓電元件的開路電壓壓電元件的開路電壓(以為其負(fù)載電阻為無窮大以為其負(fù)載電阻為無窮大)U為為 這樣，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源這樣，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q 和一個(gè)電容器和一個(gè)電容器Ca的等效電路；同時(shí)也等效為的等效電路；同時(shí)也等效為 一個(gè)電壓源一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電串聯(lián)的等效電 路。其中路。其中Ra為壓電元件的漏電阻。為壓電元件的漏電阻。aCQU 下頁下頁上頁上頁前往前往6.3 等效電路等效電路 壓電式傳感器的靈敏度壓電式傳感器的靈敏度 電壓靈敏度：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電壓；電壓靈敏度：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電壓； 電荷靈敏度：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電荷；電荷靈敏度：?jiǎn)挝?/p>

16、力產(chǎn)生的電荷； ， 。 下頁下頁上頁上頁前往前往FUkuFQkQaQuCkk 根據(jù)壓電元件的任務(wù)原理及上節(jié)所述兩種等根據(jù)壓電元件的任務(wù)原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的丈量電路的前置效電路，與壓電元件配套的丈量電路的前置放大器也有兩種方式：放大器也有兩種方式：電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元壓電元件的輸出電壓件的輸出電壓)成正比。成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。6.4 丈量電路丈量電路下頁下頁上頁上頁前往前往6.4 丈量電路丈量電路下頁下頁上頁上頁前往前往Ri、Ci、Cc分別為放大器的輸入

17、電阻、輸入電容和分別為放大器的輸入電阻、輸入電容和電纜線的電容電纜線的電容電壓放大器和電荷放大器：電壓放大器和電荷放大器：6.4 丈量電路丈量電路 6.4.1電壓放大器電壓放大器 電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)展適當(dāng)放大因并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)展適當(dāng)放大因此也把這種丈量電路稱為阻抗變換器。此也把這種丈量電路稱為阻抗變換器。下頁下頁上頁上頁前往前往; ,/ciiaCCCRRR其中其中6.4 丈量電路丈量電路 6.4.1電壓放大器電壓放大器 以壓電陶瓷為例以壓電陶瓷為例

18、設(shè)壓電陶瓷遭到交變外力設(shè)壓電陶瓷遭到交變外力F1作用作用下頁下頁上頁上頁前往前往)(1 133aiCCRjRjFdU1331 ,sinFdQtFFmamaaCtFdCFdUCQUsin ,33133用復(fù)數(shù)表示放大器的輸入電壓用復(fù)數(shù)表示放大器的輸入電壓6.4 丈量電路丈量電路 6.4.1電壓放大器電壓放大器電壓電壓Ui的幅值的幅值電壓電壓Ui與作用力之間的相位差：與作用力之間的相位差：下頁下頁上頁上頁前往前往amRamimCCFdCCRRFdU3322233 )(1 )(arctan(2 aCCR)(111aCCR令令6.4 丈量電路丈量電路 6.4.1電壓放大器電壓放大器 得得下頁下頁上頁上頁

19、前往前往211222)(1)(1)( aamimCCRCCRUU)arctan(2 16.4 丈量電路丈量電路 6.4.1電壓放大器電壓放大器電壓電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲電壓電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線線從曲線知從曲線知=0 ，Um=0，電荷被走漏，壓電式，電荷被走漏，壓電式 傳感器不能丈量靜態(tài)量傳感器不能丈量靜態(tài)量(靈敏度下降靈敏度下降)；31, Um與作用力的頻率無關(guān)與作用力的頻率無關(guān), 高頻呼應(yīng)非常好高頻呼應(yīng)非常好;下頁下頁上頁上頁前往前往6.4 丈量電路丈量電路 6.4.1電壓放大器電壓放大器電壓靈敏度電壓靈敏度下頁下頁上頁上頁前往前往22223322233)()(1 )

20、(1 aaamimuCCCCRdCCRRdFUk由此可知：要擴(kuò)展低頻呼應(yīng)范圍由此可知：要擴(kuò)展低頻呼應(yīng)范圍, 必需添加必需添加R(而不而不是是C)來添加丈量回路的時(shí)間常數(shù)來添加丈量回路的時(shí)間常數(shù)=R(C+Ca),否那否那么么,電壓靈敏度電壓靈敏度kU下降下降;6.4 丈量電路丈量電路 6.4.1電壓放大器電壓放大器電壓當(dāng)電壓當(dāng)R1時(shí)時(shí), 闡明：放大器輸入電壓及電壓靈敏度與傳感闡明：放大器輸入電壓及電壓靈敏度與傳感器本身電容器本身電容,電纜線電容有關(guān)。改換電纜需電纜線電容有關(guān)。改換電纜需重新標(biāo)定系統(tǒng)靈敏度。重新標(biāo)定系統(tǒng)靈敏度。下頁下頁上頁上頁前往前往amimuCCdFUk33 ammuimCCFd

21、FkU33 6.4 丈量電路丈量電路 6.4.2電荷放大器電荷放大器 由于電壓放大器使所配接的壓電式傳由于電壓放大器使所配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器本身電容的變化而變化，而及傳感器本身電容的變化而變化，而且電纜的改換得引起重新標(biāo)定的費(fèi)事，且電纜的改換得引起重新標(biāo)定的費(fèi)事，為此又開展了便于遠(yuǎn)間隔丈量的電荷為此又開展了便于遠(yuǎn)間隔丈量的電荷放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊丈量放大器。的沖擊丈量放大器。下頁下頁上頁上頁前往前往6.4 丈量電路丈量電路 6.4.2電荷放大器電荷放大器特點(diǎn)：消除電纜分布電容的影響；特點(diǎn)：消除電纜分布電容的影響；具有深度電容負(fù)反響的高增益運(yùn)具有深度電容負(fù)反響的高增益運(yùn)算放大器。算放大器。電路簡(jiǎn)化：忽略電路簡(jiǎn)化：忽略Ri，Ra ，運(yùn)放的運(yùn)放的K足夠大足夠大,高頻忽略高頻忽略RF ； (低頻時(shí)低頻時(shí)RF不能忽略不能忽略)。下頁下頁上頁上頁前往前往6.4 丈量電路丈量電路 6.4.2電荷放大器電荷放大器 輸出輸出U0可以簡(jiǎn)化可以簡(jiǎn)化下頁下頁上頁上頁前往前往FiacCKCCCKQU)1 ( 0)(1 ( 0FFiacciaCjgKCCCgggKQjU留意到留意到(1+K)CF(CC+Ca+Ci),6.4 丈量電路丈量電路 6.4.2電荷放大器電荷放大器 下頁下頁上