锆钛酸铅系压电陶瓷PZT.ppt

第5章压电式传感器 本章主要介绍以下内容 1 压电式传感器工作原理2 等效电路和测量电路3 压电式传感器的应用重点是掌握压电式传感器的转换原理 两种放大电路的分析及传感器的应用 对于某些晶体或陶瓷 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 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 上述现象称为正压电效应 反之 如对晶体施加一定变电场 晶体本身将产生机械变形 外电场撤离 变形也随着消失 称为逆压电效应 工作原理 压电效应及压电材料 石英晶体 石英晶体压电效应示意图 沿X轴或Y轴作用力 产生压电效应 沿Z轴作用力 不产生压电效应 压电片受力电荷极性 石英晶体受力方向与电荷极性的关系 纵向压电效应 沿X轴作用力 横向压电效应 沿Y轴作用力 压电陶瓷的极化过程和压电原理图 压电陶瓷 压电方程与压电系数 dij 压电常数 压电常数下标的含义 第一个下标 表示极化方向 i 1 2 3分别代表X Y Z轴 第二个下标 表示作用力的方向 j 1 2 3 4 5 6分别代表沿X轴 Y轴 Z轴方向的单向应力和垂直于X轴 Y轴 Z轴平面 即YZ平面 XZ平面 XY平面 作用的剪切力 剪切力的作用方向 压电材料 对压电材料的要求 转换性能 具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数 机械性能 压电元件作为受力元件 希望它的机械强度高 机械刚度大 以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率 电性能 希望具有高的电阻率和大的介电常数 以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性 温度和湿度稳定性要好 具有较高的居里点 以期望得到宽的工作温度范围 时间稳定性 压电特性不随时间蜕变 分类 单晶体石英 SiO2 最早使用 天然晶体 稳定 高强度 温度稳定性好 但压电常数小 水溶性压电晶体 酒石酸钾钠 硫酸锂等 压电常数大 但受温 湿度影响大 铌酸锂晶体 耐高温 压电性能和时间稳定性好 但质脆 热冲击性差 多晶体 压电陶瓷 钛酸钡压电陶瓷 压电常数高 价格便宜 但机械强度较差 锆钛酸铅系压电陶瓷 PZT 性能教稳定 压电常数较高 铌酸盐系压电陶瓷 居里点较高和机械强度较高 铌镁酸铅压电陶瓷 居里点和压电常数较高 可在高温及高压下工作 有机压电材料 压电橡胶 塑料等 柔软 不易破碎 可大量生产 面积较大 常用压电材料性能参数 压电元件的连接形式 压电式传感器 压电元件受力后的变形方式 等效电路和测量电路 压电式传感器对被测量的变化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 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 式中s 极板面积 r 压电材料相对介电常数 0 真空介电常数 压电元件厚度 压电元件受外力作用时 两表面产生等量的正负电荷 压电元件的开路电压 为 等效电路 实际等效电路 电荷等效电路电压等效电路 压电传感器的测量系统如图前置放大器的作用 放大压电元件的微弱信号 高阻抗输入变为低阻抗输出 测量电路 电压放大器 电压输出型压电传感器测量电路 电荷放大器 电荷输出型压电传感器测量电路 压电式传感器的应用 压电元件是一种典型的力敏感元件 具有体积小 重量轻 结构简单 工作可靠 固有频率高 灵敏度和信嗓比高等优点 应用广泛 在检测技术中 常用来测量力和加速度等 它的主要缺点是无静态输