機械制造第8章壓電式傳感器

1、壓電陶瓷位移器壓電陶瓷位移器壓電陶瓷超聲換能器壓電秤重浮游計壓電秤重浮游計壓電加速度計壓電警號壓電警號第八章第八章 壓電式傳感器壓電式傳感器 點火器晶體 。工作原理：基于壓電效應，是一種典型有源傳感器，即發(fā)基于壓電效應，是一種典型有源傳感器，即發(fā)電型傳感器。電型傳感器。特點：特點：使用頻帶寬、靈敏度高、機械阻抗大、信噪比高、使用頻帶寬、靈敏度高、機械阻抗大、信噪比高、工作可靠、測量范圍廣。工作可靠、測量范圍廣。v8.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料8.1.1. 壓電效應壓電效應又稱又稱電致伸縮效應電致伸縮效應。壓電元件壓電元件機械能電能壓電晶片按特定方向切片按特定方向切片人工合成水晶人

2、工合成水晶壓電材料壓電材料一一. .壓電晶體（石英）壓電晶體（石英） 1.1.晶面和晶軸晶面和晶軸z軸：軸：光軸光軸，中性軸；，中性軸；x軸：軸：電軸電軸，垂直于此軸，垂直于此軸 平面上的壓電效應最強；平面上的壓電效應最強；y軸：軸：機械軸機械軸，在電場作用，在電場作用 下機械變形最明顯；下機械變形最明顯；晶面：晶面：六角晶系六角晶系,30個晶面?zhèn)€晶面晶軸：晶軸：x,y,z三個方向三個方向X切切 x切型切型: :厚沿厚沿x;長沿長沿y; ;寬沿寬沿z; ; 2.2.切型切型y切型切型: :厚沿厚沿y;長沿長沿x; ;寬沿寬沿z. 3.3.微觀分析微觀分析(1)(1)無外力作用時無外力作用時:

3、:Si4+與與O2-對稱分布對稱分布電偶極矩的矢量和為零電偶極矩的矢量和為零(2)(2)有外力作用時有外力作用時: :x方向受力：方向受力：P1減小，減小，P2,P3增大。增大。矢量和從矢量和從A指向指向B.y方向受力：方向受力：P1增大，增大，P2,P3減小。減小。矢量和從矢量和從B指向指向A. 1 2q1=d11 1q1=d12 2 =-d11 2 4.4.石英晶體的壓電常數(shù)矩陣石英晶體的壓電常數(shù)矩陣0 0 0 0 0 02 0 0 0 00 0 0 1114141111ddddd只有只有d11和和d14是獨立的。是獨立的。321qqq654321只有在只有在 1 , 2 , 4 作用下，

4、作用下，才能在垂直于才能在垂直于x的晶面上產(chǎn)生電荷的晶面上產(chǎn)生電荷q1。只有在只有在 5 , 6 作用下，作用下，才能在垂直于才能在垂直于y的晶面上產(chǎn)生電荷的晶面上產(chǎn)生電荷q2。q1=d14 4 4:垂直于垂直于x方方 向的剪應力向的剪應力 6:垂直于垂直于z方方 向的剪應力向的剪應力q2=d26 6=-2 d11 6 5.5.石英晶體的優(yōu)越性能石英晶體的優(yōu)越性能穩(wěn)定，機械強度高穩(wěn)定，機械強度高二二. .壓電陶瓷壓電陶瓷 1.1.壓電陶瓷的極化壓電陶瓷的極化壓電常數(shù)大，制造方便。壓電常數(shù)大，制造方便。極化：極化：2030kV/cm場強場強,2 3 h。未極化未極化極化中極化中極化后極化后電疇取

5、向電疇取向不加外力：不加外力：束縛電荷吸束縛電荷吸 引自由電荷，電中性。引自由電荷，電中性。加外力加外力：電疇偏轉(zhuǎn)，極電疇偏轉(zhuǎn)，極化強度變小，釋放部分化強度變小，釋放部分自由電荷，壓電效應。自由電荷，壓電效應。 0 0 0 0 0 0 000 0 0 0 03331311515dddddD 2.2.壓電陶瓷的種類壓電陶瓷的種類(1)(1)一元系壓電陶瓷一元系壓電陶瓷 鈦酸鋇鈦酸鋇(2)(2)二元系壓電陶瓷二元系壓電陶瓷PZT鋯鈦酸鉛鋯鈦酸鉛(3)(3)三元系壓電陶瓷三元系壓電陶瓷PMN鈮鎂酸鋁鈮鎂酸鋁3.3.高分子有機壓電薄膜高分子有機壓電薄膜PVF2:聚二氟乙稀聚二氟乙稀PVF:聚氟乙稀聚氟

6、乙稀PVC:聚氯乙稀聚氯乙稀|對壓電材料的要求對壓電材料的要求1 1）轉(zhuǎn)換性能：）轉(zhuǎn)換性能：具有較大的壓電常數(shù)；具有較大的壓電常數(shù)；2 2）機械性能：）機械性能：希望強度高、剛度大，線性范圍寬、希望強度高、剛度大，線性范圍寬、固有頻率高；固有頻率高；3 3）電性能：）電性能：希望電阻率高、介電常數(shù)大；希望電阻率高、介電常數(shù)大；4 4）溫度和濕度穩(wěn)定性要好；）溫度和濕度穩(wěn)定性要好；5 5）時間穩(wěn)定性。）時間穩(wěn)定性。 縱向壓電效應：縱向壓電效應：沿x軸方向施加作用力，而在垂直于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。橫向壓電效應：橫向壓電效應：沿y軸方向施加作用力，而在垂直于此軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。1.1.壓

7、電晶體壓電晶體8.2 8.2 壓電常數(shù)和表面電荷的計算壓電常數(shù)和表面電荷的計算壓電元件受到力壓電元件受到力F F作用時，在相應的表面上產(chǎn)生電荷作用時，在相應的表面上產(chǎn)生電荷 壓電常數(shù)壓電常數(shù)FdQijijdjijdq123456i=1,2,3:晶體極化方向晶體極化方向 電荷微觀移動方向電荷微觀移動方向 j:法向或切向應力及方向法向或切向應力及方向 =1,2,3:沿沿x,y,z單向（拉壓）應力；單向（拉壓）應力； =4,5,6:在垂直于在垂直于x,y,z方向上的剪切應力方向上的剪切應力q: :晶體表面電荷密度晶體表面電荷密度dij反映了壓電晶體的彈性應變 與其壓電特性之間的耦合關系。321qqq

8、363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddd654321各晶面電荷面密度各晶面電荷面密度dij的物理意義：在的物理意義：在“短路條件短路條件”下，單位應力所產(chǎn)下，單位應力所產(chǎn)生的電荷密度。短路條件是指壓電元件的表面電荷生的電荷密度。短路條件是指壓電元件的表面電荷從一產(chǎn)生就立即被引開，因而在晶體形變上不存在從一產(chǎn)生就立即被引開，因而在晶體形變上不存在“二次效應二次效應”。8.3 8.3 壓電式傳感器等效電路壓電式傳感器等效電路 當壓電元件受力時，相當于一個當壓電元件受力時，相當于一個電荷源電荷源，又相當于一個以壓電材料為，又相當于一

9、個以壓電材料為介質(zhì)的介質(zhì)的電容器。電容器。壓電材料相對介電常數(shù)真空中的介電常數(shù)壓電材料介電常數(shù)極板厚度壓電元件極板面積:00rrahShShSC因此，壓電式傳感器有兩種等效電路因此，壓電式傳感器有兩種等效電路aaCQUUCQ輸出端電壓輸出端電荷壓電式傳感器與測量儀表連在一起后的完整等效電路：壓電式傳感器與測量儀表連在一起后的完整等效電路：QCaRaRiCcCiUCaRaRiCcCi(a) 電荷等效電路電荷等效電路(b) 電壓等效電路電壓等效電路Q傳感器的等效電荷傳感器的等效電荷;Ca傳感器的等效電容傳感器的等效電容;Ra傳感器的等效電阻傳感器的等效電阻;U傳感器的等效電壓傳感器的等效電壓;Cc

10、連接電纜的等效電容連接電纜的等效電容;Ri放大器的輸入電阻放大器的輸入電阻;Ci放大器的輸入電容放大器的輸入電容8.4 8.4 壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路壓電式傳感器的信號調(diào)節(jié)電路種類：種類：1. 1. 電壓放大器電壓放大器 2. 2. 電荷放大器電荷放大器 前置放大器作用：前置放大器作用：1.1. 將壓電式傳感器的微弱信號放大將壓電式傳感器的微弱信號放大2. 2. 將傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗輸出將傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗輸出 8.4.1. 8.4.1. 電壓放大器電壓放大器 電壓放大器又稱阻抗變換器。它的主要作用電壓放大器又稱阻抗變換器。它的主要作用是把壓電器件的高輸入阻抗變換為傳感

11、器的低輸是把壓電器件的高輸入阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗；并保持輸出電壓與輸入電壓成正比出阻抗；并保持輸出電壓與輸入電壓成正比QCaRaRiCcCiU0電壓靈敏度：電壓靈敏度：22)(1)(1RdRCRdFuSijijmiv其中：其中：)(icaiaiaCCCRRRRRC 電壓放大器的優(yōu)點：電壓放大器的優(yōu)點：電路可做得簡單，成本低，工作可靠。電路可做得簡單，成本低，工作可靠。 電壓放大器的缺點：電壓放大器的缺點：Sv受受CcCc的影響。的影響。 解決解決C影響的辦法：影響的辦法：1 1）縮短電纜；）縮短電纜； 2 2）用下面介紹的電荷放大器電路。）用下面介紹的電荷放大器電路。 8.4.2 8.

12、4.2 電荷放大器電荷放大器 輸出電壓與輸入電荷成正比；能將高內(nèi)阻的電荷輸出電壓與輸入電荷成正比；能將高內(nèi)阻的電荷源，轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源。源，轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源。QCaRaRiCcCiU0CfRf作用：作用：1 1）能將高內(nèi)阻的電荷源，轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源。）能將高內(nèi)阻的電荷源，轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源。 2 2）輸出電壓與輸入電荷成正比。）輸出電壓與輸入電荷成正比。 fcf0CQuu 電壓輸出表達式：電壓輸出表達式： 突出優(yōu)點：突出優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜電容無關。在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜電容無關。 8.5 8.5 壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用特點：具有良好

13、的高頻響應特性、量程大、結構簡單、特點：具有良好的高頻響應特性、量程大、結構簡單、 工作可靠、安裝方便工作可靠、安裝方便8.5.1 8.5.1 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器1.結構2.工作原理 當傳感器感受振動時，質(zhì)量塊就有一正比于加速度a的慣性力F=ma作用于壓電元件上。由于壓電效應，在壓電片表面上就產(chǎn)生與加速度a成正比的電荷Q或電壓U，通過測量電壓或電荷得到被測加速度a。提高傳感器靈敏度，多采用較大壓電常數(shù)的材料或多晶片組合的方法。8.5.2 壓電式測力傳感器分類：單向力、雙向力、三向力壓電式傳感器的誤差壓電式傳感器的誤差2 2、環(huán)境影響、環(huán)境影響3 3、電纜噪聲、電纜噪聲 4 4、接地回路噪聲、接地回路噪聲 1 1、橫向靈敏度的影響、橫向靈敏度