机械制造第8章压电式传感器

1、压电陶瓷位移器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秤重浮游计压电加速度计压电警号压电警号第八章第八章 压电式传感器压电式传感器 点火器晶体 。工作原理：基于压电效应，是一种典型有源传感器，即发基于压电效应，是一种典型有源传感器，即发电型传感器。电型传感器。特点：特点：使用频带宽、灵敏度高、机械阻抗大、信噪比高、使用频带宽、灵敏度高、机械阻抗大、信噪比高、工作可靠、测量范围广。工作可靠、测量范围广。v8.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料8.1.1. 压电效应压电效应又称又称电致伸缩效应电致伸缩效应。压电元件压电元件机械能电能压电晶片按特定方向切片按特定方向切片人工合成水晶人

2、工合成水晶压电材料压电材料一一. .压电晶体（石英）压电晶体（石英） 1.1.晶面和晶轴晶面和晶轴z轴：轴：光轴光轴，中性轴；，中性轴；x轴：轴：电轴电轴，垂直于此轴，垂直于此轴 平面上的压电效应最强；平面上的压电效应最强；y轴：轴：机械轴机械轴，在电场作用，在电场作用 下机械变形最明显；下机械变形最明显；晶面：晶面：六角晶系六角晶系,30个晶面个晶面晶轴：晶轴：x,y,z三个方向三个方向X切切 x切型切型: :厚沿厚沿x;长沿长沿y; ;宽沿宽沿z; ; 2.2.切型切型y切型切型: :厚沿厚沿y;长沿长沿x; ;宽沿宽沿z. 3.3.微观分析微观分析(1)(1)无外力作用时无外力作用时:

3、:Si4+与与O2-对称分布对称分布电偶极矩的矢量和为零电偶极矩的矢量和为零(2)(2)有外力作用时有外力作用时: :x方向受力：方向受力：P1减小，减小，P2,P3增大。增大。矢量和从矢量和从A指向指向B.y方向受力：方向受力：P1增大，增大，P2,P3减小。减小。矢量和从矢量和从B指向指向A. 1 2q1=d11 1q1=d12 2 =-d11 2 4.4.石英晶体的压电常数矩阵石英晶体的压电常数矩阵0 0 0 0 0 02 0 0 0 00 0 0 1114141111ddddd只有只有d11和和d14是独立的。是独立的。321qqq654321只有在只有在 1 , 2 , 4 作用下，

4、作用下，才能在垂直于才能在垂直于x的晶面上产生电荷的晶面上产生电荷q1。只有在只有在 5 , 6 作用下，作用下，才能在垂直于才能在垂直于y的晶面上产生电荷的晶面上产生电荷q2。q1=d14 4 4:垂直于垂直于x方方 向的剪应力向的剪应力 6:垂直于垂直于z方方 向的剪应力向的剪应力q2=d26 6=-2 d11 6 5.5.石英晶体的优越性能石英晶体的优越性能稳定，机械强度高稳定，机械强度高二二. .压电陶瓷压电陶瓷 1.1.压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化压电常数大，制造方便。压电常数大，制造方便。极化：极化：2030kV/cm场强场强,2 3 h。未极化未极化极化中极化中极化后极化后电畴取

5、向电畴取向不加外力：不加外力：束缚电荷吸束缚电荷吸 引自由电荷，电中性。引自由电荷，电中性。加外力加外力：电畴偏转，极电畴偏转，极化强度变小，释放部分化强度变小，释放部分自由电荷，压电效应。自由电荷，压电效应。 0 0 0 0 0 0 000 0 0 0 03331311515dddddD 2.2.压电陶瓷的种类压电陶瓷的种类(1)(1)一元系压电陶瓷一元系压电陶瓷 钛酸钡钛酸钡(2)(2)二元系压电陶瓷二元系压电陶瓷PZT锆钛酸铅锆钛酸铅(3)(3)三元系压电陶瓷三元系压电陶瓷PMN铌镁酸铝铌镁酸铝3.3.高分子有机压电薄膜高分子有机压电薄膜PVF2:聚二氟乙稀聚二氟乙稀PVF:聚氟乙稀聚氟

6、乙稀PVC:聚氯乙稀聚氯乙稀|对压电材料的要求对压电材料的要求1 1）转换性能：）转换性能：具有较大的压电常数；具有较大的压电常数；2 2）机械性能：）机械性能：希望强度高、刚度大，线性范围宽、希望强度高、刚度大，线性范围宽、固有频率高；固有频率高；3 3）电性能：）电性能：希望电阻率高、介电常数大；希望电阻率高、介电常数大；4 4）温度和湿度稳定性要好；）温度和湿度稳定性要好；5 5）时间稳定性。）时间稳定性。 纵向压电效应：纵向压电效应：沿x轴方向施加作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象。横向压电效应：横向压电效应：沿y轴方向施加作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象。1.1.压

7、电晶体压电晶体8.2 8.2 压电常数和表面电荷的计算压电常数和表面电荷的计算压电元件受到力压电元件受到力F F作用时，在相应的表面上产生电荷作用时，在相应的表面上产生电荷 压电常数压电常数FdQijijdjijdq123456i=1,2,3:晶体极化方向晶体极化方向 电荷微观移动方向电荷微观移动方向 j:法向或切向应力及方向法向或切向应力及方向 =1,2,3:沿沿x,y,z单向（拉压）应力；单向（拉压）应力； =4,5,6:在垂直于在垂直于x,y,z方向上的剪切应力方向上的剪切应力q: :晶体表面电荷密度晶体表面电荷密度dij反映了压电晶体的弹性应变 与其压电特性之间的耦合关系。321qqq

8、363534333231262524232221161514131211dddddddddddddddddd654321各晶面电荷面密度各晶面电荷面密度dij的物理意义：在的物理意义：在“短路条件短路条件”下，单位应力所产下，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“二次效应二次效应”。8.3 8.3 压电式传感器等效电路压电式传感器等效电路 当压电元件受力时，相当于一个当压电元件受力时，相当于一个电荷源电荷源，又相当于一个以压电材料为，又相当于一

9、个以压电材料为介质的介质的电容器。电容器。压电材料相对介电常数真空中的介电常数压电材料介电常数极板厚度压电元件极板面积:00rrahShShSC因此，压电式传感器有两种等效电路因此，压电式传感器有两种等效电路aaCQUUCQ输出端电压输出端电荷压电式传感器与测量仪表连在一起后的完整等效电路：压电式传感器与测量仪表连在一起后的完整等效电路：QCaRaRiCcCiUCaRaRiCcCi(a) 电荷等效电路电荷等效电路(b) 电压等效电路电压等效电路Q传感器的等效电荷传感器的等效电荷;Ca传感器的等效电容传感器的等效电容;Ra传感器的等效电阻传感器的等效电阻;U传感器的等效电压传感器的等效电压;Cc

10、连接电缆的等效电容连接电缆的等效电容;Ri放大器的输入电阻放大器的输入电阻;Ci放大器的输入电容放大器的输入电容8.4 8.4 压电式传感器的信号调节电路压电式传感器的信号调节电路种类：种类：1. 1. 电压放大器电压放大器 2. 2. 电荷放大器电荷放大器 前置放大器作用：前置放大器作用：1.1. 将压电式传感器的微弱信号放大将压电式传感器的微弱信号放大2. 2. 将传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出将传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出 8.4.1. 8.4.1. 电压放大器电压放大器 电压放大器又称阻抗变换器。它的主要作用电压放大器又称阻抗变换器。它的主要作用是把压电器件的高输入阻抗变换为传感

11、器的低输是把压电器件的高输入阻抗变换为传感器的低输出阻抗；并保持输出电压与输入电压成正比出阻抗；并保持输出电压与输入电压成正比QCaRaRiCcCiU0电压灵敏度：电压灵敏度：22)(1)(1RdRCRdFuSijijmiv其中：其中：)(icaiaiaCCCRRRRRC 电压放大器的优点：电压放大器的优点：电路可做得简单，成本低，工作可靠。电路可做得简单，成本低，工作可靠。 电压放大器的缺点：电压放大器的缺点：Sv受受CcCc的影响。的影响。 解决解决C影响的办法：影响的办法：1 1）缩短电缆；）缩短电缆； 2 2）用下面介绍的电荷放大器电路。）用下面介绍的电荷放大器电路。 8.4.2 8.

12、4.2 电荷放大器电荷放大器 输出电压与输入电荷成正比；能将高内阻的电荷输出电压与输入电荷成正比；能将高内阻的电荷源，转换为低内阻的电压源。源，转换为低内阻的电压源。QCaRaRiCcCiU0CfRf作用：作用：1 1）能将高内阻的电荷源，转换为低内阻的电压源。）能将高内阻的电荷源，转换为低内阻的电压源。 2 2）输出电压与输入电荷成正比。）输出电压与输入电荷成正比。 fcf0CQuu 电压输出表达式：电压输出表达式： 突出优点：突出优点：在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆电容无关。在一定条件下，传感器的灵敏度与电缆电容无关。 8.5 8.5 压电式传感器的应用压电式传感器的应用特点：具有良好

13、的高频响应特性、量程大、结构简单、特点：具有良好的高频响应特性、量程大、结构简单、 工作可靠、安装方便工作可靠、安装方便8.5.1 8.5.1 压电式加速度传感器压电式加速度传感器1.结构2.工作原理 当传感器感受振动时，质量块就有一正比于加速度a的惯性力F=ma作用于压电元件上。由于压电效应，在压电片表面上就产生与加速度a成正比的电荷Q或电压U，通过测量电压或电荷得到被测加速度a。提高传感器灵敏度，多采用较大压电常数的材料或多晶片组合的方法。8.5.2 压电式测力传感器分类：单向力、双向力、三向力压电式传感器的误差压电式传感器的误差2 2、环境影响、环境影响3 3、电缆噪声、电缆噪声 4 4、接地回路噪声、接地回路噪声 1 1、横向灵敏度的影响、横向灵敏度