电偶极矩在X方向的分量为.ppt

1 任务五 压电传感器用于压力 应力及加速度的测量 2 一 压电效应二 压电材料三 压电式传感器的测量电路四 压电式传感器的应用 3 压电式传感器是一种典型的发电型传感器 以电介质的压电效应为基础 在外力作用下 在电介质表面产生电荷 从而实现非电量测量 压电式传感器可以对各种动态力 机械冲击和振动进行测量 在声学 医学 力学 导航方面都得到广泛的应用 压电式传感器具有响应频带宽 灵敏度高 信噪比大 结构简单 工作可靠 重量轻等特点 概述 4 压电陶瓷位移器 压电陶瓷超声换能器 压电秤重浮游计 压电警号 压电加速度计 5 某些电介质 晶体 当沿着一定方向施加力变形时 内部产生极化现象 同时在它表面会产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又重新恢复不带电状态 当作用力方向改变后 电荷的极性也随之改变 一 压电效应 这种现象称正压电效应 6 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时 电荷的极性随之改变 输出电压的频率与动态力的频率相同 当动态力变为静态力时 电荷将由于表面漏电而很快泄漏 消失 7 压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时 电介质会产生形变 将电能转化成机械能 这种现象称 逆压电效应 压电元件可以将机械能 转化成电能也可以将电能 转化成机械能 正压电效应 逆压电效应 8 9 超声波传感器 10 1 石英晶体的压电效应 Z X Y a b 石英晶体 a 理想石英晶体的外形 b 坐标系 石英晶体的理想外形是一个正六面体 在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示 其中纵向轴Z Z称为光轴 经过正六面体棱线 并垂直于光轴的X X轴称为电轴 与X X轴和Z Z轴同时垂直的Y Y轴 垂直于正六面体的棱面 称为机械轴 11 石英晶体具有压电效应 是由其内部结构决定的 组成石英晶体的硅离子Si4 和氧离子O2 在Z平面投影 如图 a 为讨论方便 将这些硅 氧离子等效为图 b 中正六边形排列 图中 代表Si4 代表2O2 12 晶体沿X方向将产生收缩 电偶极矩在X方向的分量为 P1 P2 P3 X 0 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0即在X轴的正向出现正电荷 在Y Z轴方向则不出现电荷 c FX 0 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 夹角的偶极矩P1 P2 P3 电偶极矩的矢量和等于零 即P1 P2 P3 0 P1 P2 P3 X 0 P1 P2 P3 Y 0 P1 P2 P3 Z 0 即在X轴的正向出现负电荷 在Y Z轴方向则不出现电荷 结论 当晶体受到沿X 即电轴 方向的力FX作用时 它在X方向产生正压电效应 而Y Z方向则不产生压电效应 13 当晶体在Y轴方向力FY作用时 当FY 0时 晶体的形变与在X轴方向力FX 0相似 当FY 0时 则与在X轴方向力FX 0相似 可见 晶体在Y 即机械轴 方向的力FY作用下 使它在X方向产生正压电效应 在Y Z方向则不产生压电效应 如果沿Z轴方向上施加作用力FZ 因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正变形完全相同 所以 正 负电荷中心保持重合 电偶极矩矢量和等于零 表明 沿Z 即光轴 方向加作用力FZ晶体不产生压电效应 14 晶体切片 从石英晶体上沿轴线切下的平行六面体薄片 当晶片受到沿X轴方向的压力FX作用时 晶体切片厚度t将产生变形 并在与X轴垂直的平面上产生电荷QXX 即 15 压电效应结论 无论是正或逆压电效应 其作用力 或应变 与电荷 或电场强度 之间呈线性关系 晶体在哪个方向上有正压电效应 则在此方向上一定存在逆压电效应 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的 通常把沿电轴X 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 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 沿光轴Z Z方向受力则不产生压电效应 16 1 种类 石英晶体 如石英等 压电陶瓷 如钛酸钡 锆钛酸铅等 压电半导体 如硫化锌 碲化镉等 高分子压电材料 聚二氟乙烯等 2 对压电材料特性要求 转换性能 要求具有较大压电常数 机械性能 机械强度高 刚度大 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率 电性能 具有高电阻率和大介电常数 以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性 环境适应性强 温度和湿度稳定性要好 要求具有较高的居里点 获得较宽的工作温度范围 时间稳定性 要求压电性能不随时间变化 二 压电材料 17 2 压电陶瓷压电效应产生的机理压电陶瓷属于铁电体一类的物质 是人工制造的多晶压电材料 它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构 电畴是分子自发形成的区域 它有一定的极化方向 从而存在一定的电场 在无外电场作用时 各个电畴在晶体上杂乱分布 它们的极化效应被相互抵消 因此原始的压电陶瓷内极化强度为零 见图 a 直流电场E 剩余极化强度 剩余伸长 电场作用下的伸长 a 极化处理前 b 极化处理中 c 极化处理后 18 但是 当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时 却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度 这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来 即在陶瓷的一端出现正束缚电荷 另一端出现负束缚电荷 由于束缚电荷的作用 在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷 这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等 它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用 所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度 如图 19 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F 如图 陶瓷片将产生压缩形变 图中虚线 片内的正 负束缚电荷之间的距离变小 极化强度也变小 因此 原来吸附在电极上的自由电荷 有一部分被释放 而出现放电荷现象 当压力撤消后 陶瓷片恢复原状 这是一个膨胀过程 片内的正 负电荷之间的距离变大 极化强度也变大 因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象 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 正压电效应示意图 实线代表形变前的情况 虚线代表形变后的情况 20 同样 若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场 如图 由于电场的方向与极化强度的方向相同 所以电场的作用使极化强度增大 这时 陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大 就是说 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 逆压电效应示意图 实线代表形变前的情况 虚线代表形变后的情况 极化方向 电场方向 21 由此可见 压电陶瓷所以具有压电效应 是由于陶瓷内部存在自发极化 这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后 陶瓷内即存在剩余极化强度 如果外界的作用 如压力或电场的作用 能使此极化强度发生变化 陶瓷就出现压电效应 此外 还可以看出 陶瓷内的极化电荷是束缚电荷 而不是自由电荷 这些束缚电荷不能自由移动 所以在陶瓷中产生的放电或充电现象 是通过陶瓷内部极化强度的变化 引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果 压电陶瓷外形 22 一 石英晶体石英是一种具有良好压电特性的压电晶体 其介电常数和压电系数的温度稳定性好 在20 200 范围内 温度每升高1 压电系数仅减少0 016 但是当到573 时 压电特性完全失去 这就是它的居里点 石英晶体的突出优点是性能非常稳定 机械强度高 绝缘性能好 但价格昂贵 且压电系数低 因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中 23 二 压电陶瓷1 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡 BaTiO3 是由碳酸钡 BaCO3 和二氧化钛 TiO2 按1 1分子比例在高温下合成的压电陶瓷 它具有很高的介电常数和较大的压电系数 约为石英晶体的50倍 不足之处是居里温度低 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 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb Zr Ti O3 它与钛酸钡相比 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 24 三 压电半导体1968年出现了多种压电半导体材料 如硫化锌 碲化镉 氧化锌 硫化镉 碲化锌和砷化镓等 特点 既有压电特性 又有半导体性质 因此 可研制压电传感器 也可制作半导体电子器件 还可将二者结合 研制新型集成压电传感器 这种力敏器件具有灵敏度高 响应时间短等优点 此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料 还可测温度等参数 四 高分子压电材料高分子压电薄膜 是某些高分子聚合物经延展和拉伸以及电场极化后具有压电性能的材料 如聚二氟乙烯优点 耐冲击 不易破碎 稳定性好 频带宽 高分子压电陶瓷薄膜 是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末制成的 这种复合材料保持了高分子压电陶瓷薄膜的柔软性 又具有较高的压电系数 25 一 等效电路当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时 在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷 可把压电传感器看成一个静电发生器 也可把它视为两极板上聚集异性电荷 中间为绝缘体的电容器 其电容量为 q q 电极 压电晶体 Ca b a 压电传感器的等效电路 当两极板聚集异性电荷时 则两极板呈现一定的电压 其大小为 三 压电式传感器的测量电路 26 压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联 等效电容 q Ca Ua Ua q Ca q UaCa Ca a 电压等效电路 b 电荷等效电路压电传感器等效电路 27 压电传感器的完整等效电路 压电式传感器不适合于静态参数测量 Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻 28 压电元件在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接 如下图 因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc 放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci以及压电元件的泄漏电阻Ra 压电传感器实际连接电路 3 实际等效电路 连接电缆 29 压电传感器的实际等效电路 a 电压源 b 电荷源 这样 压电传感器在测量系统中的实际等效电路 如图6 10所示 连接电缆的等效电容Cc 放大器的输入电阻Ri 输入电容Ci以及压电元件的泄漏电阻Ra 30 可见 压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联 为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应 要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013 以上 才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求 与上相适应 测试系统则应有较大的时间常数 亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗 否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏 即产生测量误差 31 由于压电式传感器的输出电信号很微弱 通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中 经过阻抗交换以后 方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中 其中 测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器 前置放大器电路有两种形式 一是用电阻反馈的电压放大器 其输出电压与输入电压 即传感器的输出 成正比 另一种是用带电容板反馈的电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大 几乎可以忽略不计 故而电荷放大器应用日益广泛 压电式传感器的测量电路 前置放大器的作用 一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 二是放大传感器输出的微弱电信号 32 1 电压放大器图6 11 a b 是电压放大器电路原理图及其等效电路 电压放大器电路原理及其等效电路图 a 电压放大器电路 b 等效电路 a b A U0 Ci Ri C e Ra Ua Ca Ui 33 式中 Um 压电元件输出电压幅值 Um dFm Ca Fm 作用力的幅值 d 压电系数 作用动态力的变化频率 图中 等效电阻 若压电元件受正弦力f Fmsin t的作用 则压电元件上产生的电荷为 等效电容C Cc Ci 压电元件上产生的电压为 图 b 34 设Z为R和C并联后的阻抗 则 Ca 1 2 35 输入电压Ui和作用力f之间相位差为 36 在理想情况下 传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大 即 Ca Cc Ci R 1 那么 输入电压幅值Uim为 上式表明理想情况时前置放大器输入电压Uim与频率无关 一般在 0 3时 就可以认为Uim与 无关 0表示测量电路时间常数 之倒数 即 这表明在测量回路的时间常数一定的情况下 压电传感器有很好的高频响应 也就是测量电路输出与被测信号频率无关 37 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 38 当被测动态量变化缓慢 而测量回路时间常数不大时 会造成传感器灵敏度下降 因而要扩大工作频带的低频端 就必须提高测量回路的时间常数 但是靠增大测量回路的电容来提高时间常数 会影响传感器的灵敏度 根据传感器电压灵敏度Ku的定义得 因为 R 1 故上式可以近似为 可见 Ku与回路电容成反比 增加回路电容必然使Ku下降 为此常将Ri很大的前置放大器接入回路 其输入内阻越大 测量回路时间常数越大 则传感器低频响应也越好 当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时Cc将改变 必须重新校正灵敏度值 39 因此 压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换 否则将引入测量误差 40 电荷放大器由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器构成 2 电荷放大器 若放大器的开环增益A0足够大 并且放大器的输入阻抗很高 则放大器输入端几乎没有分流 运算电流仅流入反馈电容CF 由图可知i的表达式为 41 根据该式画出等效电路图 b 反馈电容CF等效到A0的输入端时 电容CF将增大 1 A0 倍 所以图中C 1 A0 CF 这就是所谓 密勒效应 的结果 42 运放输入电压 运算放大器输出端电压为 通常A 104 108 A 1 Cf Ca Cc Ci 则上式可近似为 43 说明电荷放大器输出电压只与电荷q 反馈电容Cf有关 与放大倍数及电缆电容无关 当A0足够大时 传感器本身的电容和电缆长短将不影响电荷放大器的输出 这是电荷放大器的最大特点 反馈电容Cf为常数时 输出电压与电荷q成正比 反馈电容增大 输出电压将减小 所以应选择合适的反馈电容Cf值 CF一般取值100 104pF 44 七 压电式传感器的应用 一 压电式加速度传感器 二 压电式压力传感器 三 压电式流量计 四 集成压电式传感器 五 压电传感器在自来水管道测漏中的应用 六 超声应用 45 当传感器感受振动时 因为质量块相对被测体质量较小 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 此力F ma 同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 运动方向 2 1 3 4 5 纵向效应型加速度传感器的截面图 一 压电式加速度传感器结构 纵向效应型 横向效应型和剪切效应型三种 纵向效应是最常见