第6章 压电式传感器.ppt

第六章压电式传感器,本章要点：1.压电元件的压电机理、压电特性2.压电传感器原理和正确使用方法3.动态测量工作频率范围确定方法,压电式传感器的工作原理是某些物质的压电效应为基础，它是一种自发电式传感器(物性型，能量转换型)。压电式传感器是一种典型的“双向传感器”。具有体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高等优点。主要缺点是无静态输出，阻抗高，需低电容低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有250C左右。,第一节压电效应,*正压电效应：当沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态。*逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。具有压电效应的电介质称为压电材料。如单晶的石英和人造压电陶瓷的钛酸钡、锆钛酸铅等多晶体。,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。,一、压电效应的表达式,经实验发现，当晶体某一定方向受到应力，使在某一定表面产生电荷，该面的电荷密度q和之间有一定的确定关系（正比关系），即q=d但由于产生电荷需要面，因此与X、Y、Z三个方向垂直的三个面Sx、Sy、Sz为晶体的电荷面。应力也应该有三个面上的应力和沿X、Y、Z右手旋转方向的剪切应力，故表达式可以写成qi=dijj。dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数j:j方向的力在i面产生的电荷密度,i=1、2、3，分别表示X、Y、Z三个方向。j=16，其中1、2、3表示X、Y、Z方向受到的应力，4、5、6表示X、Y、Z方向上右手旋转的剪切应力。,qi=dijj,这样，压电材料的压电特性可用压电常数矩阵表示，,经这样定义后，当晶体在任意受力状态下产生的表面电荷密度有下列方程组确定：,若,则,二、压电常数和耦合系数,以上讨论的压电常数dij的物理意义是：在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。“短路条件”是指压电元件的表面电荷从一产生就立即被引开，因而在晶体形变上不存在“二次效应”。实际使用时还有其它压电常数：（一）压电常数g在“断路条件”下单位应力在晶体内部产生的电势梯度，或者是应变引起的电位移。gij=dij/r0,（二）压电常数h表示每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度，是关系到压电材料机械性能的参数。hij=gijEE晶体的杨氏模量。（三）机电耦合系数K它是反映压电材料的机械能与电能之间相互耦合关系的物理量，其值为K2=由机械能转变而来的电能/输入的机械能（正压电效应）或：K2=由电能转变而来的机械能/输入的电能（逆压电效应）机电耦合系数是一个没有量纲的物理量，它与其它压电常数的关系为,第二节压电材料,明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。由于是物性型的，因此选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。主要应考虑以下几方面：a.具有大的压电常数d和g；b.机械强度高、刚度大，以便获得高的固有振荡频率；c.高电阻率和大介电系数；d.高的居里点；e.温度、湿度和时间稳定性好。,1.单晶体,以石英晶体为例。1）压电机理,X轴：平行于相邻棱面内夹角的等分线，垂直于此轴的棱面上，压电效应最强，故X轴又称电轴。Y轴：垂直于六边形对边的轴线（即垂直于六边形边线）为Y轴，由于在电场作用下，沿该轴方向的机械变形最明显，故Y轴又称为机械轴。Z轴：在垂直于X、Y轴的方向定义为Z轴，由于沿该方向没有压电效应，且光经过该方向不发生折射，因此该轴称为光轴或中性轴。,X切,（注意：晶体轴并非一条直线，而是晶体中的一个方向。）,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平面等效投影，如右图，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,当无作用力时，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，如图所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P30,（电偶极距的大小为p=ql,方向由负指向正）,当有1作用时，晶体X、Y、Z方向都产生伸缩变形，但仅在X方向上产生压电效应，而Y和Z方向电偶极距为0。因此d110，d21=d31=0。,当有2作用时，X方向产生压电效应，但极性与1相反，而Y和Z方向仍无压电效应。因此-d11=d120，d22=d32=0。当有3作用时，不产生压电效应。因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。因此d13=d23=d33=0。当23作用时产生切应变，同时有X方向的伸缩变形，故X方向上有压电效应。因此d140，d24=d34=0。当31和12作用时，这种应变改变了Y方向上的p=0状态，故Y方向有压电效应。因此d15=0，d250，d35=0，d16=0，d260，d36=0。并且有d25=-d14，d26=-2d11。,其中：d11=2.3110-12(C/N)d14=0.7310-12(C/N)r=4.5在1和2作用下产生的效应分别称为“纵向压电效应”和“横向压电效应”。,此时，石英晶体压电常数只有d11和d14是独立的。,2）石英晶体压电特性,晶体与非晶体的区别：晶体的许多物理特性决于晶体中的方向，而非晶体的特性与方向无关。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，根据不同使用要求，要正确地选择石英片的切型。石英的最常用的切割方向为X切和Y切。,居里点或倒转温度：石英晶体在常温时d和几乎不随温度变化，但达到573C会失去压电特性，该温度是其。,石英明显的优点是介电常数和压电常数的温度稳定性好，但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。故一般只用在校准用的标准传感器或精度很高的传感器中。,铌酸锂晶体（Li2NbO3）是人工拉制的单晶体，时间稳定性远比多晶体压电陶瓷好，居里点高达1200C。,天然形成的石英晶体外形,天然形成的石英晶体外形（续）,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,2.多晶体,1）压电机理人工合成的压电陶瓷，其压电常数为石英晶体的几倍，因此灵敏度高。但必须极化处理后才具有压电效应。极化后，当垂直于极化表面作用时（即作用力沿极化方向时），在极化表面便产生电荷。其电荷密度q与应力的关系为q=d33。经分析：BaTiO3的独立压电常数有d31、d33和d15三个。,式中d33纵向压电常数。（其下角注的意义与石英晶体相同，只是在压电陶瓷中把它的极化方向定为Z轴。）d33=19010-12(C/N)d31=-7810-12(C/N)d15=25010-12(C/N)r=1200,工作机理：原始的压电陶瓷材料没有压电性，陶瓷烧结后有自发的电耦极矩形成的微小极化区域称为“电畴”，它们是压电特性的基础，可惜它们在原始材料中是无序排列的，各自的极化能力相互抵消。当这些小的电畴在2030kV/cm的极化电场中放23h后，将使极性转到接近电场方向。这一过程称为人工极化过程。经极化处理后，压电陶瓷便具有压电效应。,2）压电陶瓷的压电特性,（一）钛酸钡：d、，很高，抗湿性好，价格便宜，120C的居里点，机械强度高。（二）镐钛酸铅系列（PZT）：居里点300C以上，性能稳定，具有很高的介电常数与压电常数，d33可达50010-12C/N。此外还有PMN、PVDF（压电聚合材料）等。3）热释电效应：由于温度变化而产生的电极化。单位为C/（m2gC。,PVDF（压电聚合材料）,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,压电薄膜,压电电缆,第三节压电元件常用结构形式,一、压电元件的基本变形,说明当沿X轴受力作用时，产生电荷与面积无关。（二）长度变形（LE方式）利用横向压电效应。,（一）厚度变形（TE方式）利用纵向压电效应。,当沿Y轴施加作用力时，在x轴产生的电荷与X面和Y面的几何尺寸有关。Sx、Sy分别为产生电荷面和受力面的面积。,（三）面剪切变形（FS方式）（X切晶片）（Y切晶片）（四）厚度剪切变形（TS方式）（Y切晶片）（五）弯曲变形（BS方式）是拉、压应力的组合，根据具体情况而定。,纵向和横向压电效应的另一种表示。,二、双晶片元件,由于单晶片工作时灵敏度不够大，常采用“双压电晶片”结构。由于压电材料是有极性的，所以存在着并联和串联接法。另外也可用多晶片，