传感器原理和应用主编戴焯第六章压电传感器ppt课件.ppt

1 第六章压电传感器第一节压电传感器工作原理一 压电效应二 石英晶体的压电效应三 压电陶瓷压电效应四 压电材料及其特性第二节压电传感器测量电路一 压电元件及其等效电路二 电压输出型测量电路三 电荷输出型测量电路第三节压电传感器的应用一 压电式力传感器二 压电式压力传感器三 压电式加速度传感器 2 第六章压电传感器自然界里 大多数晶体都具有压电效应 只是大多数晶体的压电效应很微弱 没什么实用价值 石英晶体 人工制造的压电陶瓷 钛酸钡 锆钛酸铅 PZT 等多晶压电材料都具有良好的压电效应 压电传感器是一种典型的有源传感器 它以某些电介质的压电效应为基础 在外力作用下 电介质表面产生电荷 从而实现外力与电荷量间的转换 达到非电量的电测目的 3 第一节压电传感器工作原理一 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 在介质内部将产生极化现象 而在介质的两个表面会产生数量相等 符号相反的电荷 形成电场 当外力去掉后 又重新回到不带电状态 当外力方向改变时 电场的极性也随着改变 这种现象被称之为压电效应 相反 在电介质极化方向施加电场时 这些电介质会产生变形 这种现象称之为逆压电效应 或电致伸缩效应 4 具有压电效应的电介质很多 但大多数因压电效应微弱而没有实用价值 目前具有良好压电效应的电介质有石英晶体和压电陶瓷 石英晶体的压电效应与其内部结构有关 图6 1石英晶体切片 5 二 石英晶体的压电效应1 石英晶体切片石英晶体即二氧化硅 SiO2 天然的石英晶体理想外形是一个正六面棱体 如图6 1 a 所示 在晶体学中 为了分析方便 把它用三根互相垂直的轴X Y Z来描述 其中纵向轴Z称之为光轴 Z轴无压电效应 它贯穿正六面棱体的两个棱顶 X轴称为电轴 它经过正六面棱柱的棱线且与光轴正交 Y轴称为机械轴 它同时垂直于X轴和Z轴 作为电压元件 对正六面棱体的石英晶体应作切片处理 石英晶体在XYZ直角坐标中 沿不同方位进行切片 可得到不同的几何切型 不同切型的晶片 其压电常数 弹性系数 介电常数 温度特性等都不一样 当石英晶体沿ZOY平面切片 如图6 1 c 所示 此时电轴X垂直于切片平面 6 2 切片内离子分布石英晶体的分子结构是由三个硅原子和六个氧原子组成的共价键单元晶体 在共价键结构中 每个硅原子失去电子变成带四个正电荷的硅离子 每个氧原子得到电子变成带二个负电荷的氧离子 氧离子成对出现 三个硅离子和三对氧离子在X Y平面上的投影正好是六边形的六个顶角 如图6 2所示 图6 2石英晶体切片内离子分布 7 当石英晶体未受外力作用时 单元晶体中的三个硅离子和三对氧离子正好连成正六边形 如图6 2 a 所示 晶体内正 负电荷的电偶极矩 其大小为P qL q为电荷量 L为正 负电荷之间的距离 其方向为由负电荷指向正电荷 P1 P2 P3大小相等 互成120 夹角 即晶体内正 负电荷中心重合 电偶极矩矢量和P1 P2 P3 0 此时晶体表面不产生电荷 晶体对外呈电中性 8 当石英晶体受X轴向压力Fx作用时 如图6 2 b 所示 晶体受压力而变形 但正六边形边长保持不变 晶体内正 负离子的相对位置发生变化 电偶极矩P1减小 P2和P3增大 电偶极矩矢量和在X轴向分量 P1 P2 P3 x 0 因而在垂直于X轴正向的晶体表面上出现正电荷 其相对面上出现等量负电荷 此时电偶极矩矢量和在Y轴和Z轴向分量 P1 P2 P3 y 0 P1 P2 P3 z 0 因而在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷 当石英晶体受Y轴向压力Fy作用时 如图6 2 c 所示 晶体受压力亦变形 晶体内正 负离子的相对位置发生变化 此时电偶极矩P1增大 P2和P3减小 电偶极矩矢量和在X轴向分量 P1 P2 P3 x 0 因而在垂直于X轴正向的晶体表面上出现负电荷 其相对面上出现等量正电荷 而电偶极矩矢量和在Y轴和Z轴向分量仍为0 不会在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上出现电荷 9 当石英晶体受Z轴向力作用时 因Z轴向力与片内离子平面X Y垂直 故不会引起离子在X Y平面上位移 此时电偶极矩的矢量和仍保持为0 晶体表面不会出现电荷 3 压电效应石英晶体在X轴向力作用下产生表面电荷的现象 称为纵向压电效应 在石英晶体线性弹性范围内 X轴向力使晶片产生形变 并引起极化现象 极化强度与作用力成正比 极化方向决定于作用力的正向 极化后在晶体表面所产生的电荷极性如图6 3 a 所示 10 图6 3石英晶体压电效应 a 纵向压电效应 b 横向压电效应 11 纵向压电效应所产生的电荷量大小由下式确定 qXX dXXFXs1 s2 6 1 式中dXX 纵向压电系数 脚标中第1个X表示电荷平面的法线方向 第2个脚标X表示作用力的方向 其大小为dXX 2 31 10 12C N 1 S1 Bl被极化面积 s2受力面积 石英晶体在Y轴向力作用下产生表面电荷的现象 称为横向压电效应 横向压电效应所产生的电荷极性如图6 3 b 所示 横向压电效应所产生的其电荷量大小由下式确定 qXY dXYFYL h 6 2 式中L 切片Y轴方向长度 沿机械轴方向对晶片施加作用力时适当选择切片长度和厚度 可增加电荷量 h 切片X轴方向厚度 dXY 横向压电系数 脚标中第1个X表示电荷平面的法线方向 第2个脚标Y表示作用力的方向 其大小为dXY dXX 它体现了石英晶体晶格的对称性 12 13 为了使压电陶瓷具有压电效应 必须对压电陶瓷进行极化处理 即对其施加一定电压的直流电场 20 30KV cm 使晶体内各电畴的极化方向发生转动 经2 3小时后 各电畴极化方向趋于外电场方向 从而实现极化处理 极化处理后 当外电场去掉时 晶体内还存在着很强的剩余极化强度 晶体表面不出现电荷 仍保持电中性状态 但此时已具有足够强的压电效应特性 14 15 在图6 5 a 中Fz是与极化方向Z同相的均布压力 当作用力Fz方向改变时 压电效应所产生的电荷极性也跟着改变 这种在Z轴方向作用力Fz下所产生的压电效应称之为纵向压电效应 其电荷量大小由下式确定 qZZ dZZFZ 6 3 式中dZZ 纵向压电系数 脚标中第1个Z表示电荷平面的法线方向 极化方向 第2个脚标Z表示作用力的方向 16 17 一般来说 压电片产生纵向压电效应时 其电荷平面与作用力垂直 引起压电片厚度伸缩 压电片产生横向压电效应时 其电荷平面与作用力平行 引起压电片长度伸缩 这两种压电效应都是压电片受到X Y或Z轴单向力作用的结果 而当压电片受到绕X Y Z轴向力作用时 将导致电压片受到剪切作用 其中 若使压电片厚度方向受到剪切力 则称之为 厚度 剪切压电效应 若使压电片长度方向受到剪切力 则称之为 电荷平 面切压电效应 由此可得到18种压电效应 以压电系数表示 可写成一个矩阵表达式 式中I 1 2 3表示电荷平面法线方向 即X Y Z轴向 j 1 2 3 4 5 6表示作用力的方向 其中1 2 3为X Y Z轴单向力方向 4 5 6为绕X Y Z轴剪切力方向 6 5 18 四 压电材料及其特性具有压电效应的压电材料很多 目前用于压电传感器的压电材料可分为三大类 即压电晶体 压电陶瓷及高分子新型压电材料 1 压电晶体压电晶体的种类很多 除石英晶体外还有酒石酸钾钠 NaKC4H4O6 4H2O 酒石酸二钾 K2C2H4O6 H2O 硫酸锂 Li2SO4 H2O 磷酸二氢氨 NH4H2PO4 砷酸二氢钾 KH2ASO4 等 其中石英晶体是最常用的压电晶体 它具有稳定的压电性能 无论是天然石英晶体还是人工合成石英晶体 其介电常数和压电系数都不受温度影响 还具有自振频率高 动态响应好 机械强度高 绝缘性能好 线性范围宽等优点 相对来说其主要缺点是压电系数较小 材料价格较贵 因而一般只作标准压电元件 高精度压电元件 19 2 压电陶瓷压电陶瓷的最突出特点是压电系数大 灵敏度高 制造工艺成熟 成形工艺性好 成本低 在制造过程中 通过不同的配方和掺杂可以获得多种不同特性的压电陶瓷 钛酸钡 BaTiO3 是其中常用的一种 其压电系数是石英晶体压电系数的几十倍 介电常数和体电阻率也比较高 但居里点低 温度稳定性及机械强度都不如石英晶体 目前最常用的压电陶瓷是锆钛酸铅 简称PZT 它是由钛酸铅 PbTiO3 和锆酸铅 PbZrO3 组成的固熔体Pb Zr Ti O3 其纵向压电系数高达 200 500 10 12C N 1 居里点300 以上 工作温度高达250 各项性能参数温度稳定性好 还可以根据不同的用途对压电元件性能的要求 在锆钛酸铅中掺入一种或两种微量元素 如镧 La 锑 Sb 锡 Sn 锰 Mn 钨 W 等 可获得系列不同性能的PZT压电材料 20 3 新型压电材料目前 新型压电材料之一是压电半导体 如硫化锌 ZnS 氧化锌 ZnO 碲化锌 ZnTe 碲化镉 CdTe 硫化镉 CdS 砷化镓 GaAs 等 这些材料的主要特点是既具有压电特性 又具有半导体特性 因而可以采用这种压电半导体制作集成压电传感器 另一种新型压电材料是某些合成高分子聚合物 经延展拉伸和极化处理后 制成具有压电特性的高分子压电薄膜 Piezoelectricfilm 如聚氟乙烯 PVF 聚偏二氟乙烯 PVF2 聚氯乙烯 PVC 等 这些材料的主要特点是压电灵敏度极高 比压电陶瓷大十多倍 在很宽的频率范围内具有平坦的响应特性 机械强度高且柔性好 易加工成大面积元件和阵列元件等 尤其是聚偏二氟乙烯性能优良 是一种很好的新型压电材料 但其热稳定性差 上限工作温度为80 21 22 第二节压电传感器测量电路以压电效应为基础的压电传感器 是一种具有很高内阻而输出电信号又很弱的有源装置 在作非电测量时 为了提高灵敏度和测量精度 通常取多片压电材料组合成一个压电敏感元件 且压电输出信号应接高输入阻抗的前置放大器 一 压电元件及其等效电路1 串联输出型压电元件当多片压电材料采用串联输出时 其联接方式如图6 6 a 所示 此时两压电片电荷极性为正 负串联输出 其等效电路如图6 6 b 所示 23 此时 24 可见 并联输出型压电元件的输出电荷等于各片电荷之和 因而可等效为电荷输出型的电荷源 如图6 7 c 所示 此时 25 26 27 28 29 30 31 图6 9是电压输出型压电传感器典型测量电路 前置放大器OPA604是美国BB公司生产的双列直插式8脚运算放大器 该放大器输入级采用P沟道场效应管 因而具有很高的输入阻抗 其差模输入阻抗为1012 8PF 共模输入阻抗为1012 10PF 总失真在增益为1 f 1KHZ时为0 0003 图6 9中1M 为运放静态偏流通道电阻 压电输出信号经屏蔽线联至运放输入端 测量电路增益约为100倍 图6 9OPA604前置放大器电压输出型压电传感器测量电路 32 33 图中R和C分别表示前置电荷放大器的等效入端电阻和等效入端电容 其中式中Rd代表测量电路的漏电阻 Ri代表放大器入端电阻 C CO Ci 式中CO代表测量电路联线分布电容 Ci代表放大器入端电容 电荷放大器是一个具有深度电容Cf负反馈的高增益放大器 略去极高的Rd和Ri的影响时 测量电路的输出电压为 6 15 式中A为电荷放大器开环放大倍数 通常A 1 即ACf Ca Co Ci 此时 6 16 34 上式表明电荷放大器输出电压仅与电荷qa成正比 与反馈电容Cf成反比 而与电路中其它参数基本无关 因而只要保持Cf不变 就可以得到输出电压Uo与压电效应电荷qa成单值线性关系 这是电荷输出型测量电路的一个重要特性 同时可以看出 Cf越小 输出电压Uo越大 输出电压灵敏度越高 但过大的Uo容易造成后级放大器输入信号的饱和 因而Cf的选择应视具体电路而定 另外 考虑电容Cf对直流信号开路 为了抑制零漂 使测量电路工作稳定 一般都在反馈电容上并联足够大 109 1012 的反馈电阻Rf 以提供直流反馈通道 高频时 电路中的各电阻大于各电容容抗 略去R讨论电路特性符合实际情况 电荷放大器的频率响应上限取决与运算放大器的频率特性 低频时 R与Ca Co比仍可忽略 但Rf与Cf比 不能忽略 电荷放大器的3db下限截止频率为fL 1 2 RFCF 35 图6 11是电荷输出型压电传感器典型测量电路 其电荷放大器是美国BB公司生产的金属管壳8脚运算放大器OPA128 其差模输入阻抗为1013 1PF 共模输入阻抗为1015 2PF 输入偏流为0 075PA 输入端接入闭合的屏蔽环 屏蔽环通过短引线接至信号地和运放管的金属壳8 以减小漏电流和入端噪声的干扰 图6 11OPA128电荷放大器电荷输出型压电传感器测量电路 36 串联接法 输出电压大 电容小 适合用于以电压作为输出信号 测量电路输入阻抗很高的情况 前置放大器 并联接法 输出电荷量大 电容大 时间常数大 适合用于测量缓慢变化信号 且以电荷作为输出的况 电荷放大器 压电敏感元件是力敏元件 它能测量最终能将被测量转换成力的哪些物理量 如 压力 应力 位移 加速度等 尤其适合动态测量 绝大多数加速度 振动 传感器属于压电式传感器 主要缺点 一 压电转换元件无静态输出 必须有一定的预应力 以保证在作用力变化时 压电元件始终受到压力 其次 是保证压电元件与作用力之间的全面均匀接触 获得输出电压 或电荷 与作用力的线性关系 二 输出阻抗高 需高输入阻抗的前置放大器作为匹配 并且 很多压电元件的工作温度最高为250 37 38 第三节压电传感器的应用压电传感器的物理基础是压电效应 压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出 即根据输出电压或电荷的大小和极性 就可确定作用力的大小和方向 由此可见 压电传感器可以直接用于测力 或测与力相关的压力 位移 振动加速度等 一 压电式力传感器压电式力传感器可分为单向力 双向力和三向力传感器 常用石英晶体作敏感元件 测力范围由几百至几万牛顿的动态力 频率范围为0 50KHZ 图6 12为压电式单向测力传感器 图中压电元件为两片纵向压电效应的石英晶体切片 实现力与电的转换 上盖为传力元件 受力后产生弹性变形 将作用力传递到压电元件上 其变形壁厚度为01 0 5mm 由所测力大小决定 39 40 41 图中压电元件为两片纵向压电效应石英晶片 具有良好的线性度和长时间稳定性 作用到受压膜片上的压力 通过传力块作用到压电元件上 使晶片产生厚度变形 传力块和电极片一般采用不锈钢制作 以确保压力能均匀 快速 无损耗地传递到压电元件上 外壳和机座应有足够机械刚度 机座和传力块与晶片的接触面要有良好的平行度和光洁度 这种结构的压力传感器主要优点是有较高的灵敏度和分辨率 测压范围宽 42 三 压电式加速度传感器压电式加速度传感器是最常用的一种加速度计 在各种测振传感器中 压电式加速度传感器约占80 其主要优点是固有频率高 高频 几十千赫 和低频 0 3HZ 性能都好 体积小 重量轻 便于集成 1 工作原理压电式加速度传感器最常见的结构有基于纵向压电效应的压缩型 基于剪切效应的剪切型和组合结构的复合型 图6 14是压缩型结构原理图 43 44 振动测量时 由于传感器基座与被测振体刚性固定在一起 传感器直接感受振体的振动 由于传感器内锁定弹簧刚度相当大 而质量块的质量相对较小 可以认为质量块本身的惯性很小 因此 质量块感受与传感器基座相同的振动 并受到与加速度方向相反的惯性力的作用 即当压电元件随振动上移时 质量块产生的惯性力使压电元件上的压力增加 反之 当压电元件随振动下移时 质量块产生的惯性力使压电元件上的压力减小 可见 质量块对压电元件的惯性力 相当于一个正比于振动加速度的交变力作用在压电元件上 使压电元件产生正比于此作用力的压电效