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文檔簡介

第一節(jié)壓電效應及壓電材料第二節(jié)壓電傳感器的等效電路及測量電路第三節(jié)壓電傳感器的應用第六章壓電式傳感器第一節(jié)壓電效應及壓電材料一、壓電效應順壓電效應:某些電介質,當沿著一定方向對其施力而使它變形時,內部就產生極化現象,同時在它的一定表面上便產生符號相反的電荷,當外力去掉后,又重新恢復到不帶電狀態(tài)。這種現象稱壓電效應。逆壓電效應(電致伸縮效應):當在電介質的極化方向施加電場,這些電介質就在一定方向上產生機械變形或機械壓力,當外加電場撤去時,這些變形或應力也隨之消失的現象。電能機械能順壓電效應逆壓電效應在自然界中大多數晶體都具有壓電效應,但壓電效應十分微弱。隨著對材料的深入研究,發(fā)現石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。壓電材料可以分為兩大類:壓電晶體和壓電陶瓷。壓電材料的主要特性參數有:①壓電常數:壓電常數是衡量材料壓電效應強弱的參數,它直接關系到壓電輸出靈敏度。②彈性常數:壓電材料的彈性常數、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。二、壓電材料③介電常數:對于一定形狀、尺寸的壓電元件,其固有電容與介電常數有關;而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。④機械耦合系數:它的意義是,在壓電效應中,轉換輸出能量(如電能)與輸入的能量(如機械能)之比的平方根,這是衡量壓電材料機—電能量轉換效率的一個重要參數。⑤電阻:壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏,從而改善壓電傳感器的低頻特性。⑥居里點溫度:它是指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。(一)

石英晶體

石英(SiO2)是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數和壓電系數的溫度穩(wěn)定性相當好,在常溫范圍內這兩個參數幾乎不隨溫度變化,如下兩圖。由圖可見,在20℃~200℃范圍內,溫度每升高1℃,壓電系數僅減少0.016%。但是當到573℃時,它完全失去了壓電特性,這就是它的居里點。

1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率:-0.016%/℃t℃石英的d11系數相對于20℃的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/℃相對介電常數ε居里點石英在高溫下相對介電常數的溫度特性(二)

壓電陶瓷

1、

鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO3)是由碳酸鋇(BaCO3)和二氧化鈦(TiO2)按1:1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有很高的介電常數和較大的壓電系數(約為石英晶體的50倍)。不足之處是居里溫度低(120℃),溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。2、

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb(Zr、Ti)O3。它與鈦酸鋇相比,壓電系數更大,居里溫度在300℃以上,各項機電參數受溫度影響小,時間穩(wěn)定性好。此外,在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素(如鈮、銻、錫、錳、鎢等)還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應用最廣泛的壓電材料。

三、石英晶體(SiO2)的壓電效應天然結構石英晶體的理想外形是一個正六面體,在晶體學中它可用三根互相垂直的軸來表示,其中縱向軸Z-Z稱為光軸;經過正六面體棱線,并垂直于光軸的X-X軸稱為電軸;與X-X軸和Z-Z軸同時垂直的Y-Y軸(垂直于正六面體的棱面)稱為機械軸。ZXY(a)理想石英晶體的外形(b)坐標系ZYX通常把沿電軸X-X方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應”,而把沿機械軸Y-Y方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應”,沿光軸Z-Z方向受力則不產生壓電效應。1、石英晶體產生壓電效應原因

石英晶體具有壓電效應,是由其內部結構決定的。組成石英晶體的硅離子Si4+和氧離子O2-在XOY平面投影,如圖(a)。為討論方便,將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列,圖中“+”代表Si4+,“-”代表2O2-。

(b)(a)++---YXXY+

當作用力FX=0時,正、負離子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六邊形頂角上,形成三個互成120o夾角的電偶極矩P1、P2、P3,此時正負電荷中心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即

P1+P2+P3=0當晶體受到沿X方向的壓力(FX<0)作用時,晶體沿X方向將產生收縮,正、負離子相對位置隨之發(fā)生變化,此時正、負電荷中心不再重合,電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0由上式看出,在X軸的正向出現正電荷,在Y、Z軸方向則不出現電荷。Y+++---XP1P2P3FXXY++++----FX+++---P1P2P3(P1+P2+P3)X<0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0Y+++--X-+++---FXFXP2P3P1+-當晶體受到沿X方向的拉力(FX>0)作用時,其變化情況如圖(c)。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現負電荷,在Y、Z方向則不出現電荷。這種沿X軸施加力,而在垂直于X軸晶面上產生電荷的現象即為前面所說的縱向壓電效應。當晶體受到沿Y(機械軸)方向施拉力FY>0時,(P1+P2+P3)X>0在X軸的正向出現正電荷,在Y、Z軸方向則不出現電荷。當晶體受到沿Y(機械軸)方向施壓力FY<0時,(P1+P2+P3)X<0在X軸的正向出現負電荷,在Y、Z軸方向則不出現電荷。FYXY++++----+++---P1P2P3Y+++--X-+++---P2P3P1+-FYFYFY與沿X方向施壓力(FX<0)作用相同與沿X方向施拉力(FX>0

)作用相同晶體在Z軸方向力FZ的作用下,因為晶體沿X方向和沿Y方向所產生的正應變完全相同,所以,正、負電荷中心保持重合,電偶極矩矢量和等于零。這就表明,沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下,晶體不產生壓電效應。這種沿Y軸施加力,而在垂直于X軸晶面上產生電荷的現象即為前面所說的橫向壓電效應。2、縱向壓電效應若從晶體上沿y方向切下一塊如圖所示的晶片,當沿電軸方向施加作用力Fx時,在與電軸x垂直的平面上將產生電荷,其大小為式中,d11為x方向受力的壓電系數

d11=2.31×10-12C/N

FX為作用力FXFX++++--------++++XX3、橫向壓電效應若在同一切片上,沿機械軸y方向施加作用力Fy,則仍在與x軸垂直的平面上產生電荷qy,其大小為式中:d12——y軸方向受力的壓電系數,根據石英晶體的對稱性,有d12=-d11;

a、b——晶體切片的長度和厚度。電荷qx和qy的符號由受壓力還是受拉力決定。++++++++--------FYFYXX四、陶瓷的壓電效應壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質,是人工制造的多晶壓電材料,它具有類似鐵磁材料磁疇結構的電疇結構。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域,它有一定的極化方向,從而存在一定的電場。在無外電場作用時,各個電疇在晶體上雜亂分布,它們的極化效應被相互抵消,因此原始的壓電陶瓷內極化強度為零,見圖(a)。

(a)極化處理前在陶瓷上施加外電場時,電疇的極化方向發(fā)生轉動,趨向于按外電場方向的排列,從而使材料得到極化。外電場愈強,就有更多的電疇更完全地轉向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度,即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致如圖(b)所示。當外電場去掉后,電疇的極化方向基本趨于原電場方向,即剩余極化強度很大,這時的材料才具有壓電特性,如圖(C)所示。直流電場E(b)極化處理中(c)極化處理后

剩余極化強度但是,當把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時,卻無法測出陶瓷片內部存在的極化強度。這是因為陶瓷片內的極化強度總是以電偶極矩的形式表現出來,即在陶瓷的一端出現正束縛電荷,另一端出現負束縛電荷。由于束縛電荷的作用,在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內的束縛電荷符號相反而數量相等,它起著屏蔽和抵消陶瓷片內極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內的極化程度,如圖。-----

-----

++++++++++自由電荷束縛電荷電極電極極化方向如果在陶瓷片上加一個與極化方向平行的壓力F,如圖,陶瓷片將產生壓縮形變(圖中虛線),片內的正、負束縛電荷之間的距離變小,極化強度也變小。因此,原來吸附在電極上的自由電荷,有一部分被釋放,而出現放電荷現象。當壓力撤消后,陶瓷片恢復原狀(這是一個膨脹過程),片內的正、負電荷之間的距離變大,極化強度也變大,因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現充電現象。這種由機械效應轉變?yōu)殡娦?,或者由機械能轉變?yōu)殡娔艿默F象,就是正壓電效應。

+++++----------+++++

極化方向F-+式中:

d33——壓電陶瓷的壓電系數;

F——作用力。

同樣,若在陶瓷片上加一個與極化方向相同的電場,如圖,由于電場的方向與極化強度的方向相同,所以電場的作用使極化強度增大。這時,陶瓷片內的正負束縛電荷之間距離也增大,就是說,陶瓷片沿極化方向產生伸長形變(圖中虛線)。同理,如果外加電場的方向與極化方向相反,則陶瓷片沿極化方向產生縮短形變。這種由于電效應而轉變?yōu)闄C械效應或者由電能轉變?yōu)闄C械能的現象,就是逆壓電效應。------++++++++++++------極化方向電場方向E第二節(jié)壓電傳感器的等效電路及測量電路一、壓電晶片的連接方式由于外力作用而在壓電材料上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存,即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗,這實際上是不可能的,因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電材料在交變力的作用下,電荷可以不斷補充,以供給測量回路一定的電流,故適用于動態(tài)測量。單片壓電元件產生的電荷量甚微,為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度,在實際應用中常采用兩片(或兩片以上)同型號的壓電元件粘結在一起。由于壓電材料的電荷是有極性的,因此接法也有兩種。

1、并聯連接+++------++++-并聯接法輸出電荷大,本身電容大,時間常數大,適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。2、串聯連接+++------+++-+串聯接法輸出電壓大,本身電容小,適宜用于以電壓作輸出信號,并且測量電路輸入阻抗很高的場合。壓電式傳感器中的壓電元件,按其受力和變形方式不同,大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式,如圖所示。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。(a)厚度變形(b)長度變形(c)體積變形(d)面切變形(e)剪切變形二、壓電傳感器的等效電路當壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機械應力的作用時,在它的兩個極面上出現極性相反但電量相等的電荷??砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€靜電發(fā)生器,如圖(a)。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷,中間為絕緣體的電容器,如圖(b)。其電容量為

++++――――qq電極壓電晶體Ce(b)(a)當兩極板聚集異性電荷時,則兩極板呈現一定的電壓,其大小為因此,壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ce的串聯電路,如圖(a);也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ce的并聯電路,如圖(b)。

(a)電壓等效電路CeU=q/Ceq=UCeCe(b)電荷等效電路壓電傳感器在實際使用時總要與測量儀器或測量電路相連接,因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc,放大器的輸入電阻Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Rd。三、壓電傳感器的測量電路1、電壓放大器作用為:一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗;二是放大傳感器輸出的微弱信號。圖(b)中,等效電阻R為壓電元件所受作用力C=Cc+Ci等效電容為而由此可得放大器輸入端電壓Ui,其復數形式為Ui的幅值Uim為輸入電壓和作用力之間相位差為在理想情況下,傳感器的Rd電阻值與前置放大器輸入電阻Ri都為無限大,即ω(Ce+Cc+Ci)R>>1,那么由Uim式可知,理想情況下輸入電壓幅值Uam為

p117頁圖6-10所示,當作用于壓電元件的力為靜態(tài)力(ω=0)時,前置放大器的輸出電壓等于零,因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉,所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力的測量。時,前置放大器的輸出電壓隨頻率變化不大。即說明壓電傳感器的高頻響應比較好,所以用于高頻交變力的測量。2、電荷放大器電荷放大器常作為壓電傳感器的輸入電路,由一個反饋電容Cf和高增益運算放大器構成。由于運算放大器輸入阻抗極高,放大器輸入端幾乎沒有分流,故可略去Rd和Ri并聯電阻。由運算放大器基本特性,可求出電荷放大器的輸出電壓通常A=104~108,因此,當滿足(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci時,上式可表示為由上式可見,電荷放大器的輸出電壓uo只取決于輸入電荷與反饋電容Cf,與電纜電容Cc無關,且與q成正比,這是電荷放大器的最大特點。為了得到必要的測量精度,要求反饋電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性都很好,在實際電路中,考慮到不同的量程等因素,Cf的容量做成可選擇的,范圍一般為100~104pF。第三節(jié)壓電傳感器的應用一、壓電力學傳感器+++++++-------力Fx壓電式單向測力傳感器的結構圖,主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件,它的外緣壁厚為0.1~0.5mm,當外力作用時,它將產生彈性變形,將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型,利用其縱向壓電效應,通過d11實現力—電轉換。石英晶片的尺寸為φ8×1mm。該傳感器的測力范圍為0~50N,最小分辨率為0.01N,固有頻率為50~60kHz,整個傳感器重為10g。壓電式金屬加工切削力測量圖是利用壓電陶瓷傳感器測量刀具切削力的示意圖。由于壓電陶瓷元件的自振頻率高,特別適合測量變化劇烈的載荷。圖中壓電傳感器位于車刀前部的下方,當進行切削加工時,切削力通過刀具傳給壓電傳感器,壓電傳感器將切削力轉換為電信號輸出,記錄下電信號的變化便可測得切削力的變化。二、壓電加速度傳感器主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內,并由螺栓加以固定。三、壓電式玻璃破碎報警器BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器,它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出,輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內部電路如圖所示。傳感器的最小輸出電壓為100mV,最大輸出電壓為100V,內阻抗為15~20kΩ。使用時傳感器用膠粘貼在玻璃上,然后通過電纜和報警電路相連。為了提高報警器的靈敏度,信號經放大后,需經帶通濾波器進行濾波,要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小,而頻帶外衰減要盡量大。由于玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內,這就使濾波器成為電路中的關鍵。只有當傳感器輸出信號高于設定的閾值時,才會輸出報警信號,驅動報警執(zhí)行機構工作。玻璃破碎報警器可廣泛用于文物保管、貴重商品保管及其它商品柜臺保管等場合。利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進行測量。其測量裝置是在管外設置兩個相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器,每隔一段時間(如1/100s),發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下,發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據這個關系,可精確測定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。

流量顯示1789輸出信號換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射此流量計可測量各種液體的流速,中壓和低壓氣體的流速,不受該流體的導電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準確度可達0.5%,有的可達到0.01%。根據發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化,測量聲速隨深度的分布情況四、

壓電式流量計是一種高性能、低成本動態(tài)微壓傳感器,產品采用壓電薄膜作為換能材料,動態(tài)壓力信號通過薄膜變成電荷量,再經傳感器內部放大電路轉換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高,抗過載及沖擊能力強,抗干擾性好,操作簡便,體積小、重量輕、成本低等,廣泛應用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領域。脈搏計照片

典型應用:

·脈搏計數探測

·按鍵鍵盤,觸摸鍵盤

·振動、沖擊、碰撞報警

·振動加速度測量

·管道壓力波動

·其它機電轉換、動態(tài)力檢測等

五、集成壓電式傳感器

力敏元件主要性能指標:壓力范圍≤1kPa靈敏度≥0.2mV/Pa非線性度≤1%F.S頻率響應1~1000Hz標準工作電壓4.5V(DC)擴充工作電壓3~15V(DC)標準負載電阻2.2kΩ擴充電阻1kΩ~12kΩ外形尺寸

12.7×7.6重量<1.5g集成壓電傳感器連線電路輸出力敏元件地線

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