《壓電式傳感器》課件

§6.1

壓電效應(yīng)

§6.2壓電傳感器的等效電路與測量電路

§6.3壓電傳感器的應(yīng)用

第六章壓電式傳感器

2§6.1.1壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)：一些電介質(zhì)，在受到一定方向的外力作用而變形時，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，而在其表面產(chǎn)生電荷。當去掉外力后，又重新回到不帶電狀態(tài)，這種將機械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱為順壓電效應(yīng)，又稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：當在電介質(zhì)極化方向施加電場時，電介質(zhì)在一定方向上產(chǎn)生機械變形，內(nèi)部出現(xiàn)機械應(yīng)力，這種將電能轉(zhuǎn)換成機械能的現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”,又稱為電致伸縮效應(yīng)。FF極化面Q壓電介質(zhì)機械能｛電能｝正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)及可逆性

36.1.2石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體是各向異性晶體外形規(guī)則xyz

4石英晶體的三個晶軸光學軸（基準軸，Z軸）：該方向沒有壓電效應(yīng)。機械軸（Y軸）：垂直XZ面，在電場作用下，該軸方向的機械變形最明顯。電軸（X軸）：經(jīng)過晶體棱線，垂直于該軸的表面上壓電效應(yīng)最強。

5石英晶體的幾何切型：在晶體坐標中取某一方位的切割

6幾何切型的表示方法：切型代號：表示原始方位晶片旋轉(zhuǎn)角：從正端看，逆時針為+，順時針為-旋轉(zhuǎn)軸：例如：（xytl)+50/(-500)

7石英晶體的基本切型X切族：厚度方向在x軸，長度方向平行于y軸Y切族：厚度方向在y軸，長度方向平行于x軸xyzzyx

8例1：（yxl)+35015’(AT切型）xyzy’z’

9例2（xytl)+50/(-500)(NT切型）：xyzy’z’x’’z’’

10石英晶體壓電效應(yīng)機理電偶極矩P=qL,q為電荷量,L為正負電荷之間距離。

11+++---XYP1P2P3當石英晶體未受外力作用時,正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上,形成三個互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。此時正負電荷重心重合,電偶極矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶體表面不產(chǎn)生電荷,即呈中性。

12受到X方向的力—縱向壓電效應(yīng)+++---XYP1P2P3晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形,正負離子的相對位置也隨之變動。此時正負電荷重心不再重合。電偶極矩在x方向上的分量由于P3的減小和P1、P2的增加而不等于零,在x軸的正方向出現(xiàn)正電荷,電偶極矩在y方向上的分量仍為零,不出現(xiàn)電荷。當作用力方向相反時,電荷的極性也隨之改變。

13受到Y(jié)方向的力—橫向壓電效應(yīng)+++---XYP1P2P3當晶體受到沿y軸方向的壓力作用時,P3增大,P1、P2

減小。在垂直x軸表面上出現(xiàn)電荷,它的極性為x軸正向為負電荷。在y軸方向上不出現(xiàn)電荷。當作用力方向相反時,電荷的極性也隨之改變。

14受到Z方向的力—沒有壓電效應(yīng)產(chǎn)生+++---XYP1P2P3如果沿z軸方向施加作用力,因為晶體在x方向和y方向所產(chǎn)生的形變完全相同,所以正負電荷重心保持重合,電偶極矩矢量和等于零。這表明沿z軸方向施加作用力,晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

16壓電常數(shù)和表面電荷計算1、壓電效應(yīng)的表達式：Tj:j方向的應(yīng)力dij:j方向的力使得i面產(chǎn)生電荷的壓電常數(shù)σij:j方向的力在i面產(chǎn)生的電荷密度x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶體的極化方向，即在i面上產(chǎn)生電荷。1、2、3分別表示垂直于x、y、z軸的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的單向應(yīng)力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切應(yīng)力X0°切型石英晶體切片的力——

電分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)σij=dijFj

i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y

18壓電特性的矩陣表示

19壓電特性矩陣的說明：表示壓電元件的能量轉(zhuǎn)換方式dij的大小表示壓電效應(yīng)的強弱若矩陣中某一dij=0,則表示該方向上沒有壓電效應(yīng)是選擇轉(zhuǎn)換元件、確定壓電效應(yīng)產(chǎn)生方向、轉(zhuǎn)換效率的重要依據(jù)

202、石英晶體的壓電常數(shù)和表面電荷計算

21㈠在x面上產(chǎn)生電荷：⑴在T1作用下，產(chǎn)生厚度變形（縱向壓電效應(yīng)）

22⑵在T2作用下，產(chǎn)生長度變形（橫向壓電效應(yīng)）

23⑶在T3作用下，沒有壓電效應(yīng)

24⑷在剪切應(yīng)力T4、T5、T6作用下：

25在x面上產(chǎn)生電荷：

26㈡在y面上產(chǎn)生電荷

27㈢在Z面上產(chǎn)生電荷

28石英晶體的壓電方程

306.1.3壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇,它有一定的極化方向,從而存在電場。在無外電場作用時,電疇在晶體中雜亂分布,它們的極化效應(yīng)被相互抵消,壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性,不具有壓電性質(zhì)。

31壓電陶瓷極化處理在陶瓷上施加外電場時,電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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時,外電場去掉后,電疇的極化方向基本不變,即剩余極化強度很大,這時的材料才具有壓電特性。極化方向即外加電場方向，取為Z軸方向。E陶瓷片內(nèi)的極化強度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)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(nèi)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。

陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋正壓電效應(yīng)示意圖F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋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，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當壓力撤消后，陶瓷片恢復原狀，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(xiàn)充電現(xiàn)象?！龎弘娦?yīng)。若在片上加一個與極化方向相同的電場，電場的作用使極化強度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變。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(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖Ｅ電場方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋

35壓電陶瓷壓電方程

37§6.1.4壓電材料壓電晶體壓電陶瓷高分子壓電材料有天然也有人工的

382、石英晶體的主要性能具有實用價值的壓電材料不需要人工極化沒有熱釋電效應(yīng)介電常數(shù)、壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好居里點溫度達：5730c壓電材料開始喪失壓電性能的溫度性能穩(wěn)定、機械強度高

39二、壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）：最早使用的壓電陶瓷材料。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按一定比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍,但使用溫度較低,最高只有70℃,溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。鋯鈦酸鉛（PZT）：目前使用較多的壓電陶瓷材料是鋯鈦酸鉛（PZT系列）,它是鈦酸鋇（BaTiO3)和鋯酸鉛（PbZrO3）組成。它有較高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度。性能遠優(yōu)于鈦酸鋇。鈮酸鋰單晶：

40三、聚偏二氟乙烯（PVF2)壓電常數(shù)比PZT大十幾倍柔性和加工性能好聲阻抗與水、人體肌肉接近熱穩(wěn)定性好

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42§6.2.1壓電傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時,它也是一個電容器,晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì),則其電容量為

A——壓電片的面積;d——壓電片的厚度;εr——壓電材料的相對介電常數(shù)。

43電荷等效電路電壓等效電路

44壓電傳感器的實際等效電路－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,因此還須考慮連接電纜的等效電容Cc,放大器的輸入電Ri,輸入電容Ci以及壓電傳感器的泄漏電阻Ra,

45§6.2.2測量電路

壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高,而輸出能量較小,因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為: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。

壓電傳感器的輸出可以是電壓信號,也可以是電荷信號,因此前置放大器也有兩種形式:電壓放大器和電荷放大器。一、電壓放大器Ra:壓電元件漏電阻Ce連接電纜電容Ri、Ci放大器輸入阻抗、電容KUaCaRaCeCiRi

46KUaCaRC

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50理想情況下放大器輸入電壓幅值為：

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52φωτ00901.0UsrmUam0.51234

53討論：ω=0（靜態(tài)量）時，Usrm/Uam=0（輸入電壓為零）原因：由于等效電阻不可能無窮大，存在電荷泄漏，所以不能測量靜態(tài)量ωτ>>3（高頻情況），Usrm/Uam≈1，實際接近理想輸入電壓與作用力頻率無關(guān)τ一定，ω越高，高頻響應(yīng)越好