第06章 压电式传感器.ppt

1880年 法国人居里兄弟发现石英晶体的压电效应 第6章压电式传感器 压电式传感器是一种有源的双向 可逆 机电传感器 既可以将机械能转变为电能 又能将电能转变成机械能 它的工作原理是基于压电材料的压电效应 压电传感器主要用来测力 加速度 压力 位移 温度 湿度等参数的测量 1820年 李普曼 Lippmann 教授提出了晶体具有压电效应的理论 不久 他的学生居里兄弟通过对电气石的实验 证实了压电效应的存在 1881年 居里兄弟还通过实验验证了逆压电效应 并给出石英相同的正逆压电常数 所以 一般人都认为压电效应是皮埃尔 居里 PierreCurie 和他的哥哥雅克斯 居里 JacquesCurie 发现的 其实这里面离不开他的老师李普曼教授的指导 法国的居里家族是当之无愧的获得诺贝尔奖最多的家族 先后出过4名诺贝尔奖得主 玛里 居里和丈夫皮埃尔 居里分享了1903年诺贝尔物理学奖 居里夫人成为诺贝尔奖百年历史上的首位女性获奖者 并于1911年再次获得诺贝尔化学奖 居里夫妇的女儿伊雷娜 约里奥 居里显然继承了家族的优良传统 和丈夫弗雷德里奥 约里奥一起成为1935年诺贝尔化学奖得主 居里家族是迄今为止唯一一个连续两代夫妻都获得诺贝尔奖的家族 在用做加速度传感器时 可测频率范围从0 1Hz 20 180 kHz 可测振动加速度按其不同结构可达10 2 105m s2 用于测力传感器时 其灵敏度可达10 3N 这种传感器具有体积小 重量轻 精确度及灵敏度高等优点 现在与其配套的后续仪器 如电荷放大器等的技术性能日益提高 使这传感器应用很广泛 下页 上页 返回 图库 优点 下页 上页 返回 图库 下页 上页 返回 图库 下页 上页 返回 图库 下页 上页 返回 图库 某些晶体 如SiO2单晶体结构 或多晶陶瓷 如钛酸钡 锆钛酸铅即PZT系列陶瓷 当沿着一定方向受到外力作用时 内部就产生极化现象 同时在某两个表面上产生符号相反的电荷 形成电场 当外力去掉后 又恢复到不带电状态 当作用力方向改变时 电荷的极性也随着改变 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比 下页 上页 返回 图库 6 1压电效应及压电材料 上述现象称为正压电效应 反之 如对晶体施加一定电场 晶体本身将产生机械变形 外电场撤离 变形也随着消失 这种现象称为逆压电效应 或称为电致伸缩 下页 上页 返回 图库 在自然界中大多数晶体都具有压电效应 但压电效应十分微弱 随着对材料的深入研究 发现石英晶体 钛酸钡 锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料 压电材料的主要特性参数有 压电常数 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 弹性常数 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 下页 上页 返回 图库 机械耦合系数 它的意义是 在压电效应中 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 压电材料 1 压电单晶 天然或人工合成 具有良好的机械强度和压电效应 压电系数较小 d11 2 3 10 12C N 但压电系数的时间和温度稳定性好 在20 200 C内 温度每升高1 C 压电系数仅减小0 016 升高到200 C时 仅减小5 达到573 C时 失去压电特性 此温度称为石英的居里点 介电常数为4 5 石英 SiO2 下页 上页 返回 图库 居里点1210 C 具有良好的压电性 适用于高温环境 但比石英脆 抗冲击性差 铌酸锂 LiNbO3 居里点666 C 压电常数为石英的3倍 钽酸锂 LiTaO3 压电系数较大 dx 3 10 9C N 但机械强度低 机械强度 电阻率 居里点均较低 易受潮 性能不稳定 酒石酸钾钠 NaKC4H4O6 4H2O 下页 上页 返回 图库 2 多晶压电陶瓷 由多种材料经烧结合成 制作方便 成本低 原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性 压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍 现代压电元件 大多采用压电陶瓷 钛酸钡 BaTiO3 碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2按1 1混合烧结而成 压电常数约为石英的50倍 介电常数高 1200 居里点约120 C 锆钛酸铅 PZT 系列压电陶瓷 居里点300 C左右 压电常数70 800 10 12C N 性能和稳定性均超过钛酸钡 其中有些产品可耐高温 高压 下页 上页 返回 图库 3 高分子有机压电材料 聚二氟乙烯 PVF2 聚氟乙烯 PVF 聚氯乙烯 PVC 聚偏二氟乙烯 PVDF 等 易于大量生产 面积大 柔软不易破碎 可制成阵列器件 用于微压和机器人触觉 4 压电半导体 具有压电和半导体两种特性 易于集成 下页 上页 返回 图库 石英晶体是单晶结构 化学式SiO2 我们常把透明的石英称为水晶 6 1 1石英晶体 下页 上页 返回 图库 电轴 机械轴 光轴 三个电轴三个机械轴一个光轴 天然理想 实际 光轴又称为中性轴 它是晶体的对称轴 光线通过石英晶体时 无折射 沿Z轴方向上没有压电效应 电轴 穿过六棱柱的棱线 在垂直于此轴的面上压电效应最强 机械轴 在电场的作用下 沿该轴方向的机械变形最明显 理想形状 中间为六角形棱柱 两端为对称的棱锥 共30个晶面 下页 上页 返回 图库 图6 2石英晶体的外形和晶轴 电轴 机械轴 光轴 通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 纵向压电效应 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为 横向压电效应 而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应 图所示是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子 在垂直于z轴的xy平面上的投影 等效为一个正六边形排列 图中 代表硅离子Si4 代表氧离子O2 当石英晶体未受外力作用时 正 负离子正好分布在正六边形的顶角上 形成三个互成120 夹角的电偶极矩P1 P2 P3 如图6 3 a 所示 石英的压电效应解释 图6 3石英晶体压电效应示意图 下页 上页 返回 图库 因为P ql q为电荷量 l为正负电荷之间距离 此时正负电荷重心重合 电偶极矩的矢量和等于零 即P1 P2 P3 0 所以晶体表面不产生电荷 即呈中性 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时 晶体沿x方向将产生压缩变形 正负离子的相对位置也随之变动 如图6 3 b 所示 此时正负电荷重心不再重合 电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2 P3的增加而不等于零 在x轴的正方向出现负电荷 电偶极矩在y方向上的分量仍为零 不出现电荷 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时 晶体的变形如图6 3c 所示 与图6 3 b 情况相似 P1增大 P2 P3减小 在x轴上出现电荷 它的极性为x轴正向为正电荷 在y轴方向上仍不出现电荷 如果沿z轴方向施加作用力 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同 所以正负电荷重心保持重合 电偶极矩矢量和等于零 这表明沿z轴方向施加作用力 晶体不会产生压电效应 当作用力Fx Fy的方向相反时 电荷的极性也随之改变 6 1 2压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种多晶体压电材料 它本身并不具有压电效应 极化前 电畴不规则排列 极化强度为零 因此原始的压电陶瓷呈中性 不具有压电性质用强电场迫使电畴规则排列 从而使材料得到极化 在电场去除以后 余下了很强的剩余极化 使其呈现出压电性 下页 上页 返回 图库 图6 5a压电陶瓷的极化过程和压电原理图 下页 上页 返回 图库 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化 当陶瓷材料受到外力作用时 电畴的界限发生移动 电畴发生偏转 从而引起剩余极化强度的变化 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化 这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应 将机械能转变为电能的现象 就是压电陶瓷的正压电效应 电荷量的大小与外力成如下的正比关系 6 3 式中 d33 压电陶瓷的压电系数 F 作用力 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多 所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高 极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关 它的参数也随时间变化 从而使其压电特性减弱 最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡 BaTiO3 它是由碳酸钡和二氧化钛按1 1摩尔分子比例混合后烧结而成的 它的压电系数约为石英的50倍 但居里点温度只有115 使用温度不超过70 温度稳定性和机械强度都不如石英 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅 PZT 系列 它是钛酸铅 PbTiO2 和锆酸铅 PbZrO3 组成的 Pb ZrTi O3 居里点在300 以上 性能稳定 有较高的介电常数和压电系数 性能指标见表6 1 铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷 它由铌镁酸铅 锆酸铅 PbZrO3 和钛酸铅 PbTiO3 按不同比例配出不同性能的压电陶瓷 具有极高的压电系数和较高的工作温度 而且能承受较高的压力 压电陶瓷的优点是 压电常数大 灵敏度高 制造工艺成熟 可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能 成形工艺性也好 成本低廉 利于广泛应用 缺点 压电陶瓷除有压电效应外 还具有热释电性 晶体 电石 水晶 酒石酸钾钠 钛酸钡等 受热产生温度变化时 其原子排列将发生变化 晶体自然极化 在其两表面产生电荷的现象称为热释电效应 因此它可制作热电传感器件而用于红外探测器中 但作压电器件应用时 这会给压电传感器造成热干扰 降低稳定性 所以对高稳定性的传感器 压电陶瓷的应用受到一定限制 6 1 3压电式传感器压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性 即当有力作用在压电材料上时 传感器就有电荷 或电压 输出 由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存 即需要测量回路具有无限大的输入阻抗 这实际上是不可能的 因此压电式传感器不能用于静态测量 压电材料在交变力的作用下 电荷可以不断补充 以供给测量回路一定的电流 故适用于动态测量 压电式传感器有电荷输出及电压输出两种输出方式 为了增大输出值 压电传感器往往用两个 较多见 或两个以上 制造装配困难 的晶体串接或并接 串联 并联 蒸镀金属膜 下页 上页 返回 图库 串联 适合于以电压做为输出信号 n个晶体串接时 输出电荷量与单片晶体电荷相同 总电容为单片晶体电容的1 n 输出电压为单片晶体电压的n倍 串接时 输出电压大 电容小 时间常数小 适宜测量迅变信号和以电压输出的场合 R C Ri C 输出电荷量与单片晶体电荷相同 下页 上页 返回 图库 并联 适合于以电荷做为输出信号 n个晶体并接时 输出电荷量为单片晶体电荷n倍 总电容为单片晶体电容n倍 输出电压等于单片晶体电压 并接时 输出电荷量大 电容大 时间常数大 适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合 输出电压量与单片晶体电荷相同 R C Ri C 下页 上页 返回 图库 串联 串联 并联 并联 晶片间用导电胶粘结 端面用金属垫片引出导线 并联 串联 下页 上页 返回 图库 每两片晶层中间夹垫金属片作电极 引出导线 压电式传感器中的压电元件 按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6 6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 图6 6压电元件变形方式厚度变形 TE b 长度变形 LE c 体积变形 VE 面切变形 FS e 剪切变形 TS 下页 上页 返回 图库 6 2压电传感器测量电路 压电式传感器对被测量的变化 力 加速度等 是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的 因此它相当于一个电荷源 而压电元件电极表面聚集电荷时 它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器 其电容量为 6 2 1等效电路 金属膜 压电晶片 式中s 极板面积 r 压电材料相对介电常数 P121 0 真空介电常数d 压电元件厚度 下页 上页 返回 图库 因此 压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源 如图所示 电容器上的电压Ua 电荷量q和电容量Ca三者关系为 压电晶片 C 等效电压源 下页 上页 返回 图库 a 电荷源等效电路 b 电压源等效电路 传感器 电缆线 运算放大器 若考虑负载 测量电路 等效电路如下 下页 上页 返回 图库 电缆的等效电容Cc 放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci 下页 上页 返回 图库 6 2 2测量电路 压电传感器本身的内阻抗很高而输出能量较小 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器 其作用为 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗 二是放大传感器输出的微弱信号 1 电压放大器电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出 并将微弱的电压信号进行适当放大 因此也把这种测量电路称为阻抗变换器 电压放大器的简化电路图为 下页 上页 返回 图库 电压放大电路 下页 上页 返回 图库 设作用于压电晶片上的力F Fmsin t 所产生的电荷 电流 及电压均按正弦规律变化 亦则 Q dc F dc Fmsin t 下页 上页 返回 图库 向量表示 下页 上页 返回 图库 图6 10电压幅频和相频曲线 下页 上页 返回 图库 1 w 0时 输出电压为0 意味着电荷完全被泄漏 压电式传感器 后接电压放大器 不能测量静态量 2 wt3 输出电压与输入信号 被测力 的频率大小无关 输出与输入完全的线性正比关系A w 1 f w 0即无相位滞后 4 t RCR C 均使t 但是 t 才能扩大低频响应范围 下页 上页 返回 图库 C 使输出电压值减小 即灵敏度下降 不宜采取C 的方法 R 是唯一的途径 下页 上页 返回 图库 高输入阻抗 可见输出受到连接导线电容值的影响 注意 导线不宜太长 导线 标定后 不能随意更换 这是电压放大器的致命的弱点 C Ca Cc Ci 5 由此式可以看出 输出电压的大小受到C的影响 而 下页 上页 返回 图库 优点 线路简单 价格低廉 缺点 测试精度受导线 电缆 电容的影响 近些年来固态电子元器件和集成电路的迅速发展 微型电压放大器可以与传感器做成一体 集成化 电压放大器的缺点能得以克服 电压放大器并不需要低噪声电缆 具有较好的发展前景 下页 上页 返回 图库 由于电压放大器使所配接的压电式传感器的电压灵敏度受电缆分布电容的影响 而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦 为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器 目前它巳被公认是一种较好的冲击测量放大器 下页 上页 返回 图库 2 电荷放大器 电荷放大器是一个高增益带深度电容负反馈的运算放大器 其输入阻抗极高 1012 以上 Ca Ra 电荷放大电路 Q Cc Ri Ci K ui uo Cf 传感器 电缆 运算放大器 下页 上页 返回 图库 Ca Q Cc Ci K ui uo Cf Q C K ui uo 等效电路 输入阻抗为无穷大 Ra很大 Cf C Ca Cc Ci 下页 上页 返回 图库 C Ca Cc Ci 下页 上页 返回 图库 K值很大 一般K 104 106 上式为 在此式中 输出电压与C值无关 只有 也就是说 电缆电容并无影响 连接导线有时长达百米 低噪声电缆 工厂称为无噪声电缆 与电压放大器比较 这是一个突出的优点 但是 电荷放大电路复杂 价格较高 C Ca Cc Ci Cf 反馈电容 下页 上页 返回 图库 高 低频限 电荷放大器的高频上限主要取决于压电器件的Ca和电缆的Cc与Rc 由于Ca Cc Rc均较小 所以可测信号的上限频率很高 一般为180KHz 电荷放大器的低频下限 由于开环放大倍数很大 因此只取决于反馈回路参数RF CF 下页 上页 返回 图库 低频下限频率与电缆电容无关 由于运算放大器的时间常数RFCF可做得很大 因此电荷放大器的低频下限可低达10 1 10 4KHz 准静态 电荷放大器与电压放大器比较优点是显而易见的 这就是它得以广泛应用的原因所在 下页 上页 返回 图库 1 电荷放大器电路复杂 价格昂贵 电压放大器反之 2 但电压放大器下限频率较高 3 灵敏度与电缆分布电容有关 选用时宜综合考虑 电荷放大器电压放大器对比 从电路上看 电荷放大器很简单 其实我们仅讲了其前置放大部分 其整个电路的组成很复杂 见下页图 下页 上页 返回 图库 图6 12电荷放大器原理框图 下页 上页 返回 图库 一般可用下面的框图来表示 下页 上页 返回 图库 电荷放大器 下页 上页 返回 图库 电荷放大器 下页 上页 返回 图库 下页 上页 返回 图库 6 3压电式传感器的应用 压电元件是一种典型的力敏感元件 可用来测量最终能转换为力的多种物理量 在检测技术中 最为普遍的应用是测量力和加速度 应用举例 聚四氟乙烯绝缘套 压电晶片 上盖 荷重块 基座 电子束焊缝 图6 11 下页 上页 返回 图库 6 3 1压电式测力传感器 测力传感器应用压电元件的厚度变形 纵向压电效应 居多 传感器上盖为传力元件 它的外缘壁厚为0 1 0 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 石英晶片的尺寸为 8 1mm 该传感器的测力范围为0 50N 最小分辨率为0 01N 固有频率为50 60kHz 整个传感器重为10g 6 3 2压电式加速度传感器图6 12是一种压电式加速度传感器的结构图 它主要由压电元件 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 图6 12压电式加速度传感器