檢測(cè)技術(shù)6壓電式課件

第6章壓電式傳感器壓電式傳感器是一種有源的雙向機(jī)電傳感器。它的工作原理是基于壓電材料的壓電效應(yīng)。石英晶體的壓電效應(yīng)早在1680年即已發(fā)現(xiàn)，1948年制作出第一個(gè)石英傳感器。下頁返回第6章壓電式傳感器6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理--壓電效應(yīng)6.2壓電材料6.3等效電路6.4測(cè)量電路6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例本章要點(diǎn)下頁上頁返回6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。

下頁上頁返回6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理壓電方程和壓電常數(shù)矩陣壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)——某些晶體或多晶陶瓷受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷的現(xiàn)象；逆壓電效應(yīng)——如對(duì)晶體施加一定電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象。下頁上頁返回6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理天然石英晶體的結(jié)構(gòu)外形光軸(Z軸):晶體的對(duì)稱軸,光線沿Z軸通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,且無壓電效應(yīng)；電軸(X軸):與該壓軸垂直的面，壓電效應(yīng)最為顯著;機(jī)械軸(Y軸):在外電場(chǎng)作用時(shí)，在此軸上產(chǎn)生的機(jī)械變形最大。下頁上頁返回6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理壓電方程——壓電效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式壓電效應(yīng)：晶體表面上產(chǎn)生的電荷與外力作用大小成正比。精確表達(dá)式式中：dij是壓電常數(shù)，單位為(C/N)；Pi是電荷的表面密度，單位為(C/cm2);σi是單位面積上的作用力（應(yīng)力），單位為(N/cm2）。下頁上頁返回6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理：下頁上頁返回6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理下頁上頁返回單向應(yīng)力單獨(dú)作用時(shí)（Fx、Fy及Fz），只在表面A和B上出現(xiàn)電荷，符號(hào)與Fx，F(xiàn)y有關(guān)：(1)P1≠0，P2=P3=0,(當(dāng)只有Fx或Fy時(shí))：

d11=-d12≠0,d21=d31=0,d22=d32=0;(2)P1=P2=P3=0,(當(dāng)只有Fz時(shí))：

d13=d23=d33=0;6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理下頁上頁返回剪切力單獨(dú)作用時(shí)，在表面A和B及C和D上出現(xiàn)電荷：(3)P1≠0，P2=P3=0,(當(dāng)只有σ4時(shí),使晶體在x方向有伸縮,等效有σ1作用)：

d14≠0,d24=d34=0;(4)P2≠0，P1=P3=0,(當(dāng)只有σ5、σ6時(shí),改變了晶體在y方向無電荷的狀況)：

d25≠0,d26≠0,d15=d35=0,d16=d36=0;6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理下頁上頁返回壓電陶瓷壓電效應(yīng)機(jī)理壓電陶瓷是一種經(jīng)過極化處理的人工多晶鐵電體。多晶：由無數(shù)細(xì)微單晶組成；鐵電體：具有電疇結(jié)構(gòu)；電疇：分子自發(fā)形成的極化方向相同的小區(qū)域。6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理下頁上頁返回極化處理：在一定溫度下，以強(qiáng)電場(chǎng)使“電疇”規(guī)則排列，余下了很強(qiáng)的剩余極化，壓電陶瓷材料表面出現(xiàn)束縛電荷，吸附空氣中的自由電荷，形成壓電陶瓷。壓電常數(shù)矩：注意事項(xiàng)：極化面在Z軸，而X，Y軸各向同性。6.1壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理下頁上頁返回單向應(yīng)力的壓電方程表達(dá)其中，P=Q/S，σ=F/S（S為作用面的面積），壓電陶瓷與石英晶體比較壓電陶瓷效果顯著。6.3等效電路壓電式傳感器對(duì)被測(cè)量的變化是通過其壓電元件產(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。而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：

式中s--極板面積εr--壓電材料相對(duì)介電常數(shù)

0--真空介電常數(shù)δ--壓電元件厚度下頁上頁返回Ra是壓電元件的漏電阻6.3等效電路當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓(認(rèn)為其負(fù)載電阻為無窮大)U為

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Ca的等效電路；同時(shí)也等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路。其中Ra為壓電元件的漏電阻。下頁上頁返回6.3等效電路壓電式傳感器的靈敏度電壓靈敏度：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電壓；電荷靈敏度：?jiǎn)挝涣Ξa(chǎn)生的電荷；，。

下頁上頁返回6.4測(cè)量電路下頁上頁返回Ri、Ci、Cc分別為放大器的輸入電阻、輸入電容和電纜線的電容電壓放大器和電荷放大器：6.4測(cè)量電路6.4.1電壓放大器

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，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大．因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器。下頁上頁返回其中6.4測(cè)量電路6.4.1電壓放大器

以壓電陶瓷為例設(shè)壓電陶瓷受到交變外力F1作用下頁上頁返回用復(fù)數(shù)表示放大器的輸入電壓6.4測(cè)量電路6.4.1電壓放大器

得下頁上頁返回6.4測(cè)量電路6.4.1電壓放大器電壓電壓幅值比和相角與頻率比的關(guān)系曲線從曲線知ω=0，Um=0，電荷被泄漏，壓電式

傳感器不能測(cè)量靜態(tài)量(靈敏度下降)；ω>3ω1,Um與作用力的頻率無關(guān),

高頻響應(yīng)非常好;下頁上頁返回6.4測(cè)量電路6.4.1電壓放大器電壓靈敏度下頁上頁返回由此可知：要擴(kuò)大低頻響應(yīng)范圍,必須增加R(而不是C)來增加測(cè)量回路的時(shí)間常數(shù)τ=R(C+Ca),否則,電壓靈敏度kU下降;6.4測(cè)量電路6.4.2電荷放大器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及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標(biāo)定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠(yuǎn)距離測(cè)量的電荷放大器，目前它巳被公認(rèn)是一種較好的沖擊測(cè)量放大器。下頁上頁返回6.4測(cè)量電路6.4.2電荷放大器特點(diǎn)：消除電纜分布電容的影響；具有深度電容負(fù)反饋的高增益運(yùn)算放大器。電路簡(jiǎn)化：忽略Ri，Ra（∞），運(yùn)放的K足夠大,高頻忽略RF；(低頻時(shí)RF不能忽略)。下頁上頁返回6.4測(cè)量電路6.4.2電荷放大器輸出U0可以簡(jiǎn)化下頁上頁返回注意到(1+K)CF>>(CC+Ca+Ci),6.4測(cè)量電路6.4.2電荷放大器

下頁上頁返回特點(diǎn)：(1)輸出電壓U正比于輸入電荷Q，輸出靈敏度不受電纜分布電容的影響;(2)適用于——高頻(gF<<jωCF);低頻時(shí)輸出(RF不能忽略)6.4測(cè)量電路下頁上頁返回6.4.2電荷放大器特點(diǎn)：(1)輸出電壓U正比于輸入電荷Q;(2)輸出電壓與反饋回路參數(shù)有關(guān)（CF，RF）;當(dāng)RF=1/ωCF

時(shí)，其幅值為理想值的倍，此時(shí)，增益下降3db，即為下限頻率處：fL可以通過CF，RF來調(diào)整，低頻響應(yīng)好。

6.5壓電式傳感器的應(yīng)用舉例

特點(diǎn)：壓電元件是一種