第一节 压电效应及压电材料.ppt

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1、第一节 压电效应及压电材料,第二节 压电传感器的等效电路及测量电路,第三节 压电传感器的应用,第六章 压电式传感器,第一节 压电效应及压电材料,一、压电效应,顺压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。,逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,电能,机械能,顺压电效应,逆压电效应,压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。 压电材料的主要特性

2、参数有： 压电常数 弹性常数 介电常数,二、压电材料,压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。,压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。,对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。, 机械耦合系数,转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。, 电阻,压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。, 居里点温度,它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。,（一） 石英晶体（SiO2） 在20200范围内，温度每升高1，

3、压电系数仅减少0.016。但是当到573时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。,石英在高温下相对介电常数 的温度特性,石英的d11系数相对于20的d11温度变化特性,（二）压电陶瓷 1、钛酸钡压电陶瓷介电常数、压电系数大（约为石英晶体的50倍）；居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,2、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）比钛酸钡压电系数更大，居里温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。 此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。,=Ba

4、CO3+TiO2,= PbTiO3+PbZrO3,三、石英晶体（SiO2）的压电效应,X,纵向轴ZZ称为光轴,经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴,与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴,1、石英晶体产生压电效应原因,+,+,-,-,-,+,当作用力F =0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P30,当晶体受到沿X方向的压力（FX0,（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0,P2,P3,在X轴的正向出现正电荷，

5、在Y、Z轴方向则不出现电荷。,（P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0,P2,P3,P1,当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为,在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。,这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为纵向压电效应。,FY0 (P1+P2+P3)X0 X轴的正向: 正电荷 Y、Z轴方向无电荷,与沿X方向施压力（FX0）作用相同,FY0 (P1+P2+P3)X0 X轴的正向：负电荷 Y、Z轴方向无电荷,P2,P3,P1,与沿X方向施拉力（FX 0 ）作用相同,这种沿Y轴施加

6、力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。,2、纵向压电效应,式中, d11为x方向受力的压电系数d11=2.3110-12C/NFX为作用力,FX,3、横向压电效应,式中：d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12= -d11；,四、陶瓷的压电效应,无外电场作用时,施加外电场时,外电场去掉后, , , ,自由电荷,束缚电荷,无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度,这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。, , ,d33 :压电陶瓷的压电系数 F：作用力, , ,在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，由于电场的方向与极化

7、强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。,第二节 压电传感器的等效电路及测量电路,一、压电晶片的连接方式,1、并联连接,+,-,并联接法输出电荷大，本身电容大， 时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。,2、串联连接,-,+,串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。,压电式传感器中的压电元件，按

8、其受力和变形方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式， 如图所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。,(a) 厚度变形,(b) 长度变形,(c) 体积变形,(d)面切变形,(e) 剪切变形,二、压电传感器的等效电路,静电发生器,电容器,因此，压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ce的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ce的并联电路，如图(b)。,Cc ：连接电缆等效电容 Ri ：放大器输入电阻 Ci ：输入电容 Rd ：压电传感器泄漏电阻,三、压电传感器的测量电路,1、电压放大器,作用为： 一是把它的高输出阻抗变换为

9、低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。,p117页图6-10所示，当作用于压电元件的力为静态力（=0）时， 前置放大器的输出电压等于零， 因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉， 所以压电传感器不能用于静态力的测量。,时，前置放大器的输出电压随频率变化不大。,即说明压电传感器的高频响应比较好，所以用于高频交变力的测量。,2、电荷放大器,第三节 压电传感器的应用,一、压电力学传感器,单向测力传感器的结构图,传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过d11实现力电转换

10、。石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的测力范围为050N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重10 g。,压电式金属加工切削力测量图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时， 切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。,二、压电加速度传感器,主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。,三、压电式玻璃破碎报警器,BS-D2压电式传感器是专门用于

11、检测玻璃破碎的一种传感器， 它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。 BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示。传感器的最小输出电压为100 mV，最大输出电压为100V， 内阻抗为1520 k。,使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内， 这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的

12、阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。,利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。,此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。,根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化

13、，测量声速随深度的分布情况,四、 压电式流量计,是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。,脉搏计照片,典型应用：脉搏计数探测按键键盘，触摸键盘振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量管道压力波动其它机电转换、动态力检测等,五、集成压电式传感器,力敏元件主要性能指标： 压力范围 1kPa 灵敏度 0.2V/P 非线性度 1 F.S 频率响应 11000Hz 标准工作电压

14、4.5V（DC） 扩充工作电压 315V(DC) 标准负载电阻 2.2k 扩充电阻 1k12k 外形尺寸 12.77.6 重 量 1.5 集成压电传感器连线电路,六、压电式传感器在自来水管道测漏中的应用,如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上A、B两点放两只传感器，A、B距离为L（已知或可测），从A、B两个传感器接收的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和tB（=LB/V），两者时间差为t=tA- tB=（LA- LB）/V （1） 又 L =LA+LB （2）,1、检测原理,因为管道埋设在地下，看不到O点，也不知道LA和LB的长度，已知的是L和V，如果能设法求出t，则联立（1）+（2）得： LA =(L+tV)/2 （3） 或者将（1）-（2）得：LB=（L-tV）/2 （4） 关键是确定t，就可准确确定漏点O。如果从O点出发的是一极短暂的脉冲，在A、B两点用双线扫描同时开始记录，在示波器上两脉冲到达的时间差就是t。实际的困难在于漏水声是连续不断发出的，在A、B两传感器测得的是一片连续不断，幅度杂乱变化的噪声。相关检漏仪的功能就是要将这两路表面杂乱无章的信号找出规律来，把它们“对齐”，对齐移动所需要的时间就是t。,2、水漏探测仪设计,