传感器原理和应用主编-戴焯第六章-压电传感器PPT课件

第1、6章压电传感器的第1节压电传感器的工作原理1、压电效果2、水晶结晶的压电效果3、压电陶瓷压电效果4、压电材料及其特性第2节压电传感器测定电路1、压电元件及其等效电路2、电压输出型测定电路3、电荷输出型测定电路第3节压电传感器的应用1、压电式力传感器在压电式加速度传感器的自然界中，大部分晶体都具有压电效应，但大部分晶体的压电效应微弱，没有实用价值。 水晶结晶、人工制造的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅(PZT )等多晶压电材料具有良好的压电效果。 压电传感器是典型的有源传感器，基于某介质的压电效应，在外力的作用下在介质表面产生电荷，实现外力与电荷量之间的转换，实现非电量的电测量目的。3、第一节压电传感器的工作原理1、具有压电效应的电介体，如果向一定方向施力变形，则在电介体内部产生极化现象，在电介体的两面产生相同数量、符号相反的电荷，在形成电场而去除外力后，如果再次返回到不带电状态的外力的方向改变，则电相反，当在介质的极化方向上施加电场时，这些介质发生变形的现象被称为逆压电效应或电致伸缩效应。4、虽然具有压电效应的介质很多，但大多数压电效应微弱，没有实用价值，现在具有良好压电效应的介质是水晶结晶和压电陶瓷。 水晶晶体的压电效应与其内部结构有关。图6-1水晶结晶切片、5、2、水晶结晶的压电效果1 .水晶结晶切片作为水晶结晶的二氧化硅(SiO2)，天然的水晶结晶的理想外形如图6-1(a )所示为正六边形。 在结晶学中，为了便于分析，用相互正交的三根轴x、y、z记述。 其中，纵轴z称为光轴(z轴没有压电效应)，贯通正六面体两个棱顶的x轴称为电轴，通过正六角柱的棱线，与光轴正交的y轴称为机械轴，与x轴和z轴两者垂直。 作为电压元件，正六面体的水晶结晶必须进行切片处理。 水晶结晶是XYZ直角坐标，沿不同的方位切片，可以得到不同的几何切型、不同切型的水晶片，压电常数、弹性系数、介电常数、温度特性等不同。 当晶体沿着ZOY平面被切片时，电轴x与切片平面垂直，如图6 c中所示。6、2 .切片内的离子分布石英晶体的分子结构是由3个硅原子和6个氧原子构成的共价键单元晶体，在共价键结构中，各硅原子丢失的电子成为具有4个正电荷的硅离子，各氧原子成为电子具有2个负电荷的氧离子、图6-2的晶体切片内的离子分布、7、在没有外力作用于晶体晶体的情况下，单位晶体中的3个硅离子和3对氧离子正好与正六边形连接，如图6-2(a )所示，晶体内的正、负电荷的偶极矩(其大小为P=qL， 该方向从负电荷朝向正电荷) P1、P2、P3的大小相等，相互形成120度的角度，即结晶内的正、负电荷的中心重叠，在偶极矩矢量和P1 P2 P3=0的情况下，在结晶表面不产生电荷，结晶在外部成为电中性。8、水晶结晶在x轴方向的压力Fx的作用下作用时，如图6 b所示，结晶受到压力而变形(但是，正六边形的边的长度不变)，结晶内的正离子、负离子的相对位置发生变化，偶极矩P1减少，P2和P3增大，偶极矩增大此时，由于偶极矩矢量和y轴和z轴方向成分(P1 P2 P3)y=0、(P1 P2 P3)z=0，所以在与y轴和z轴垂直的结晶表面上不出现电荷. 若水晶结晶受到y轴方向的压力Fy，则如图6-2(c )所示，即使结晶受到压力也发生变形，结晶内的正离子的相对位置发生变化，此时，偶极矩P1变大，P2和P3变小，偶极矩矢量和x轴方向成分(另一方面，偶极矩矢量和y轴和z轴的成分还为0，与y轴和z轴垂直的结晶表面没有出现电荷。 在z轴力作用于石英晶体的情况下，z轴力与板内离子平面的X-Y垂直，因此离子在X-Y平面上不变位，此时，偶极矩的矢量和保持0，在晶体表面不产生电荷。 3 .压电效应水晶结晶通过x轴力产生表面电荷的现象称为纵压电效应。 在水晶结晶的直线弹性范围内，x轴力使晶片变形，引起极化现象，极化强度与力成比例，极化方向决定于力的正方向，极化后在结晶表面产生的电荷的极性如图6-3(a )所示。10、图6-3水晶压电效应(a )纵向压电效应(b )横向压电效应、11、由纵向压电效应产生的电荷量的大小，以qXX=dXXFXs1/s2(6-1)式表示dXX纵向压电系数，脚坐标中第一个x为电荷平面的法线方向，第二个脚坐标x为力的方向S1=Bl被极化的面积，s2受到力的面积，水晶结晶通过y轴力产生表面电荷的现象称为横向压电效应。 横向压电效应引起的电荷极性如图6-3(b )所示。 关于由横向压电效应引起的电荷量的大小，qyyyyfyl/h(6-2)，式中，l片的y轴方向的长度(在机械轴方向上对晶片施加力时，可以适当选择片长和厚度，来增加电荷量) h-片x轴方向的厚度dXY横向的压电系数， 脚坐标中第一个x表示电荷平面的法线方向，第二个脚坐标y表示力的方向，其大小为dXY=-dXX，表示水晶晶格的对称性。 为了使12、13、压电陶瓷具有压电效果，对压电陶瓷施加一定的电压，对直流电场(2030KV/cm )进行极化处理，使结晶内的各畴的极化方向旋转，23小时后使各畴的极化方向朝向外电场方向进行分极化处理后，去除外部电场时，结晶内存在强的残留极化强度，结晶表面不出现电荷，保持电中性状态，但此时具有充分强的压电效应特性。 在、14、15、图6-5(a )中，Fz是与极化方向z相同的平均分布压力，当力Fz的方向变化时，由压电效应引起的电荷的极性也变化，将在该z轴方向力Fz产生的压电效果称为纵压电效果，其电荷量的大小以qZZ=dZZFZ(6-3)式表示，dzz 一般来说，在压电片上产生纵向压电效应时，其电荷平面与力垂直，在引起压电片厚度伸缩的压电片上产生横向的压电效应时，该电荷平面与力平行，压电片的长度伸缩。 这两种压电效果都是x、y、z轴方向的力作用在压电片上的结果，当x、y、z轴方向的力作用在压电片上时，剪切力作用在压电片上。 在此，如果在压电片的厚度方向上受到剪切力，则称为剪切压电效果，如果在压电片的长度方向上施加剪切力，则称为切面压电效果。由此，可以得到18种压电效果，可以用压电系数表现，写矩阵式，式中，I=1、2、3表示电荷平面的法线方向，即x、y、z轴方向. j=1、2、3、4、5、6表示力的方向，在此，I=1、2、4、5、6表示力的方向(6-5)、18、4，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压电结晶、压电陶瓷和高分子新的压电材料三种。 1 .压电晶体的压电晶体的种类很多，除了水晶晶体之外，还有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6-4H2O )、酒石酸二钾(K2C2H4O6H2O )、硫酸锂(Li2SO4H2O )、磷酸二氢氨(NH4H2PO4)、铝酸二氢钾其中水晶结晶是最常用的压电结晶，无论是具有稳定的压电性能的天然水晶结晶还是人工合成水晶结晶，都具有介电常数和压电系数不受温度的影响，自振动频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好，线性范围宽等优点。 相对而言，其主要缺点是压电系数小，材料价格高，所以一般只使用标准压电元件、高精度压电元件。19，2 .压电陶瓷压电陶瓷最突出的特点是压电系数大，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，用不同的配方和掺杂可以得到各种特性的压电陶瓷，钛酸钡(BaTiO3 )是其中常用的一种，其压电系数为水晶结晶的压电系数的几十倍，介电常数和体电阻率也高，但居里点低，温度稳定性和机械强度是水晶结晶现在最常用的压电陶瓷是锆钛酸铅(简称为PZT )，是由钛酸铅(PbTiO3)和钛酸铅(PbZrO3)组成的固溶体Pb(ZrTi)O3，纵向压电系数高达(200500)10-12CN-1 各性能参数的温度稳定性良好，根据用途对压电元件的性能也有要求的锆钛酸铅中添加镧(La )、锑(Sb )、锡(Sn )、锰(Mn )、钨(w )等微量元素，可以得到一系列不同性能的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 )等压电半导体。 这些材料的主要特征是同时具有压电特性和半导体特性，从而能够使用这种压电半导体来制作集成压电传感器。 另一种新型压电材料是一种合成高分子聚合物，经过拉伸和极化处理，制成了聚氟乙烯(PVF )、聚偏氟乙烯(PVF2)、聚氯乙烯(PVC )等具有压电特性的高分子压电薄膜。 这些材料的主要特征是，压电电感度极高(比压电陶瓷大十数倍)，因此在宽频率范围内具有平坦的响应特性，机械强度高、柔软性高，容易加工成大面积的元件和阵列元件等，特别是聚偏氟乙烯性能优异，是优异的新的压电21、22、第二节压电传感器的测量电路是基于压电效应的压电传感器，是具有高内部电阻输出电信号的弱有源装置，在进行非电气测量时，为了提高灵敏度和测量精度，通常将多个压电材料组合成一个压电传感器元件，压电输出信号为高输入1、压电元件及其等效电路1 .串联输出型压电元件在多个压电材料采用串联输出的情况下，其连接方式如图6-6(a )所示，在这种情况下，两压电片的电荷极性为正、负串联输出，其等效电路如图6-6(b )所示。 由于、23、此时、24、并联输出型压电元件的输出电荷等于各芯片的电荷之和，所以如图6-7(c )所示，与电荷输出型的电荷源等价。此时，25、26、27、28、29、30、31、图6-9为电压输出型压电传感器的典型的测量电路。 前置放大器OPA604是美国BB公司制的双列直插式八脚运算放大器，该放大器的输入级采用了p沟道场效应晶体管，因此具有高输入阻抗，其差动模式输入阻抗为10128PF，共模图6-9中的1m开放静态偏置流路电阻，压电输出信号通过屏蔽线连接至运算放大器输入端子，测量电路的增益约为100倍。 图6-9OPA604前置放大器电压输出型压电传感器的测定电路，图6-32、图33，图中r和c分别表示前置放大器的等效输入端子电阻和等效输入端子电容，式中Rd表示测定电路的泄漏电阻，Ri表示放大器输入端子电阻电荷放大器是具有深度电容Cf的负反馈的高增益放大器，在省略了极高的Rd和Ri的影响的情况下，测定电路的输出电压在(6-15 )式中，a是电荷放大器的开环放大率，通常是A1，即ACfCa Co Ci，在此情况下(6-16 ) 公式表示电荷放大器的输出电压与电荷qa成比例，与反馈电容Cf成反比的电路中的其他参数几乎没有关系，所以只要Cf不变化，输出电压Uo和压电效应电荷qa就可以得到1值的线性关系，是电荷输出型测定电路的重要特性之一。 同时，可以知道Cf越小，输出电压Uo越大，输出电压灵敏度越高，但是，过大的Uo后级放大器的输入信号容易饱和，因此Cf的选择因具体电路而异。 并且，考虑到电容器Cf断开直流信号，为了抑制零漂移、稳定测量电路的动作，一般在反馈电容器上并联连接足够大的(1091012)的反馈电阻Rf，提供直流反馈路径。 高频时，电路中的各电阻大于各电容阻抗，省略r来研究电路特性符合实际状况的电荷放大器的频率响应上限取决于运算放大器的频率特性。 低频时，r与Ca、Co的比可以忽略，但Rf与Cf的比不能忽略。 电荷放大器的3db下限截止频率为fL=1/2RFCF。35，图6-11是电荷输出型压电传感器的典型的测量电路。 其电荷放大器是美国BB公司制造的金属封装8脚运算放大器OPA128，其差动模式输入阻抗为1013/1PF，共模输入阻抗为1015/2PF，输入偏置为0.075PA，输入端子为闭合的屏蔽环图6-11OPA128电荷放大器电荷输出型压电传感器测量电路，36，串联连接法：输出电压大，电容小，电压作为输出信号，适用于测量电路的输入阻抗高的情况。 (前置放大器)并联连接法：适用于测量输出电荷量大、容量大、时间常数大、缓慢的变化信号，并将电荷作为输出的情况。 (电荷放大器)压电传感器元件是力传感器元件，可以测量最终测量的能转换成力的物理量，例如压力、应力、位移、加速度等。 特别适合动态测量，大部分加速度(振动)传感器是压电式传感器。 主要缺点：一、压电转换元件没有静态输出，需要一定的压力，保证压力变化时压电元件经常受到压力。 然后，确保压电元件和力之间的全面均匀接触，得到输出电压(或电荷)和力的线性关系。 二、以输出阻抗高、要求高输入阻抗的前置放大器为匹配，并且很多压电元件的工作