第7章压电传感器ppt课件

1、无论是正或逆压电效应，其作用力或应变与电荷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；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；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。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 二、压电材料二、压电材料品种：品种：压电晶体，如石英等；压电晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；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。压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求：对压电材料特性要求： 转换性能。

2、要求具有较大压电常数。转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减电性能。希望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。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。有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳

3、定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 （一）（一） 石英晶体石英晶体 石英石英SiO2SiO2是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常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相当好，在常温范围内这两个参数几数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化，如下两图。乎不随温度变化，如下两图。 由图可见，在由图可见，在2020200200范围内，温度每升高范围内，温度每升高11，压电系数仅，压电系数仅减少减少0.0160.016。但是当到。但是当到573573时，它完全失去了压电特性，这就时，它完全失去了压电特性

4、，这就是它的居里点。是它的居里点。 1 . 000 . 990 . 980 . 970 . 960 . 952040 60 80 100120140 160180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系数相对于20的d11温度变化特性6543210100 200 300 400 500 600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数的温度特性 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。 因为石英是一种各向异性晶体，因而，按不同方向切割的晶片，其物理性质如弹性、压

5、电效应、温度特性等相差很大。为了在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。 石英晶片的切型符号表示方法：IRE标准规定的切型符号表示法；习惯符号表示法。 IRE标准规定的切型符号包括一组字母X、Y、Z、t、l、b和角度。用X、Y、Z中任意两个字母的先后排列顺序，表示石英晶片厚度和长度的原始方向；用字母t厚度）、l长度）、b宽度表示旋转轴的位置。当角度为正时,表示逆时针旋转；当角度为负时,表示顺时针旋转。例如：(YXl)35切型，其中第一个字母Y表示石英晶片在原始位置(即旋转前的位置)时的厚度ZZOOYYZXX35(a)(b)（YXl35切型（a石英晶片原始位置（b石英晶片的切

6、割方位沿沿Y Y轴方向，第二个字母轴方向，第二个字母X X表表示石英晶片在原始位置时的示石英晶片在原始位置时的长度沿长度沿X X轴方向，第三个字轴方向，第三个字母母l l和角度和角度3535表示石英晶片表示石英晶片绕长度逆时针旋转绕长度逆时针旋转3535，如，如图。图。Y又如又如XYtl5/-50切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿X轴方向，长度沿轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度轴方向，先绕厚度t逆时针旋转逆时针旋转5，再绕长度，再绕长度l顺顺时针旋转时针旋转50，如图。，如图。 习惯符号表示法是石英晶体特有的表示法，它由两个大写的英习惯符号表示法是石英晶体

7、特有的表示法，它由两个大写的英文字母组成。例如，文字母组成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、MT和和FC等。等。OO50ZZZYY5ZXY(a)石英晶片原始位置(b)石英晶片的切割方位ATyxl 压电效应方程压电效应方程 引入三维笛卡尔坐标系（引入三维笛卡尔坐标系（ 3-D Cartesian coordinate system) 如图如图 x, y 和和 z轴轴, 立方体形立方体形状的压电元件状的压电元件其中其中, T1, T2 和和 T3分别分别定义为沿定义为沿x, y and z轴的轴的拉力应力分量；拉力应力分量；T4, T5 和和T6分别为分别为沿沿 x, y 和和 z 轴的剪切应

8、轴的剪切应力分量；力分量；且且, 1, 2 和和 3表示表示垂直于垂直于x, y 和和 z轴的平面轴的平面即即x, y和和 z 轴面轴面 ）上）上的电荷密度；的电荷密度；在单一应力作用下，压在单一应力作用下，压电元件某一轴面上的电电元件某一轴面上的电荷密度可表示为：荷密度可表示为：其中 j=1,2,.6 表示应力的方向, i =1,2,3 表示产生电荷的轴面；iijjd Tdij 为压电系数；为压电系数；iijjd Tdij 称之为纵向称之为纵向（ longitudinal/thickness） 压电系数压电系数, if i = j；dij 为横向压电系数为横向压电系数, if j3 且且 i

9、 j; dij 为面切压电系数, if j - i =3 且 j 4；dij 为剪切为剪切(thickness)shear压电系数压电系数, if j - i 3 且且 j 4;那么：某一轴面的电荷可由那么：某一轴面的电荷可由下式计算得到：设下式计算得到：设 i=1，即，即x轴面轴面,受受 6个应力个应力 Tj：6111jjjd T注注: 压电系数是与材料性质相关的常数，可通过实压电系数是与材料性质相关的常数，可通过实验的方法得到，其中石英和压电陶瓷钛酸钡验的方法得到，其中石英和压电陶瓷钛酸钡的压电系数如下：的压电系数如下：石英晶体：石英晶体： 111114141100000002000000

10、ijdddddd15153132330000000000000ijdddddd压电陶瓷压电陶瓷(钛酸钡压电系数矩阵：钛酸钡压电系数矩阵：一个例子：一个例子： 请记住以下下几个公式及其关系请记住以下下几个公式及其关系.(1)iiiQA(2)jjjFTA61iijjjd T(3)例例 1:111FTA石英晶体长宽高分别为： l, b, h； x轴方向压力 F1；计算. x轴面的电荷量力力-应力应力:61111 11jjjd Td T2) 求电荷密度求电荷密度,111111QAd F3) 求电荷量求电荷量,例例2:222FTA6111221jjjd Td T11111221122AlQAdFdFAh

11、 石英晶体长宽高分别为： l, b, h； y轴方向压力 F2；计算. x轴面的电荷量力力-应力应力:2) 求电荷密度求电荷密度,3) 求电荷量求电荷量,（二）（二） 压电陶瓷压电陶瓷 1 1、 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡钛酸钡BaTiO3BaTiO3是由碳酸钡是由碳酸钡BaCO3BaCO3和二氧化钛和二氧化钛TiO2TiO2按按1 1：1 1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。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5050倍）。不足之处是居里温度低倍）。不足之处是居里温度低120120），温

12、度稳定性和机械），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。强度不如石英晶体。2 2、 锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷PZTPZT） 锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3PbTiO3和和PbZrO3PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体PbPbZrZr、TiTiO3O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300300以上，各项以上，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、钨等还可以获一种或两种其它微量元素如铌、锑、锡、锰、钨等还可以获得不

13、同性能的得不同性能的PZTPZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式材料。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。传感器中应用最广泛的压电材料。 4、压电半导体材料、压电半导体材料 如如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。可测取力和温度等参数。3 3、压电聚合物、压电聚合物 聚二氟乙烯聚二氟乙烯PVF2PVF2是目前发现的压电效应较强的聚合物薄是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜

14、，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有是它们具有“平面锯齿构造，存在抵消不了的偶极子。经延展平面锯齿构造，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、

15、稳定性好、易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料复合材料(PVF2PZT)(PVF2PZT)。 （二）（二） 测量电路测量电路 压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出；放大压电式传感器输出的弱信号。放大压电式传感器输出的弱信号。 前置放大器形式：前置放大器形式：电压放大器，其输出电压与输入电压传感器的输出电压成正电压放大器，其输出电压与输入电

16、压传感器的输出电压成正比；比；电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。 1 1、电压放大器、电压放大器 AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCU SCUa(a)(b)Ua图图b中，等效电阻中，等效电阻R为为iaiaRRRRRaaCqU tFFmsinFm作用力的幅值作用力的幅值压电元件所受作用力压电元件所受作用力C=Cc+Ci而而等效电容为等效电容为若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用，则在外力作用下，压电元件产生的电压值为下，压电元件产生的电压值为 amamCFdCqU33tUUmasin

17、Um电压幅值电压幅值 aiCCRjRjFdU133由图由图(b)可得放大器输入端的电压可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为，其复数形式为222331icamimCCCRRFdUUi的幅值的幅值Uim为为icaCCCRarctan2icammimCCCFdRFdU3320331输入电压与作用力之间的相位差输入电压与作用力之间的相位差为为令令=R(Ca+Cc+Ci)，为测量回路的时间常数，并令为测量回路的时间常数，并令0=1/，则可得则可得可见，如果可见，如果/01/01，即作用力变化频率与测量回路时间常数，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于的乘积远大于1 1时。前置放大器的输入电

18、压时。前置放大器的输入电压UimUim与频率无关。一般与频率无关。一般认为认为/03/03，可近似看作输入电压与作用力频率无关。这说，可近似看作输入电压与作用力频率无关。这说明，在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当明，在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。好的高频响应特性。 但是，当被测动态量变化缓慢，而测量回路时间常数不大时，会但是，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提高测量回路的时间常数。但是靠

19、增大测量回路的电容来提高。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的定义得的定义得22331icamimuCCCRdFUKicauCCCdK33因为因为R1，故上式可以近似为，故上式可以近似为可见，可见，Ku与回路电容成反比，增加回路电容必然使与回路电容成反比，增加回路电容必然使Ku下降。为下降。为此常将此常将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。当改变连接传感器路时间常数越大，则传感器低频响应也

20、越好。当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时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。将改变，必须重新校正灵敏度值。 2 2、电荷放大器、电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益基本电路如图。若放大器的开环增益A0A0足够大，并且放大器的输足够大，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回路馈回路CFCF与与RFRF。由图可知。由图可知i i的表达式为：的表达式为： A0CaUUSC电荷放大

21、器原理电路图iRaqCFRFFFSCRCjUUi1FFRCjUAU10FFRACAjU11100根据上式画出等效电路图根据上式画出等效电路图A0CaRaRCU SCUqCF、RF等效到等效到A0的输入端时，电容的输入端时，电容CF将增大将增大(1A0)倍。电导倍。电导1RF也增大了也增大了(1A0)倍。所以图中倍。所以图中C=(1A0)CF；1/R=(1A0)1RF，这就是所谓，这就是所谓“密勒效应的结果。密勒效应的结果。输出电压输出电压001SCacFAqUCCA C当当A0足够大时足够大时,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。因此输出电压器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电荷只决定于输入电荷q及反馈回路的及反馈回路的参数参数CF和和RF。由于。由于1RFCF,那么那么FFSCCqCAqAU001可见当可见当A0A