06第六章 压电传感器.ppt

1、牙齿章节探讨压力传感器的工作原理、转换电路测量、应用和(动态测量)振动频谱分析。第六章压电传感器，第一节压电传感器的工作原理，压电传感器是自发电，主动传感器。它以特定电介质的压电效应为基础，通过外力作用，在电介质表面产生电荷，达到非定量电测量的目的。压电传感元件是对力敏感的元件，可以测量郑智薰传记物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。电压式传感器具有体积小、质量轻、频率高、信噪比大等特点。因为没有移动部件，所以结构坚固、稳定、稳定性高。一，压电效应，天然结构的石英晶体是六边形晶体柱，用钻石工具切割正方形薄片。晶体薄片向另一侧施加压力时，晶格产生变形，表面产生正电

2、荷，电荷Q与施加的力F成正比，这称为压电效应。还有具有压电效应的人工材料。向电介质的极化方向施加交变电压，就会发生机械变形。去除外部电场会使传记介质的变形消失，这称为逆压电效应(传记扩展效应)。石英晶体的压电效应表明，当力的方向改变时，电荷的极性发生变化，输出电压的频率与动态力的频率相同。当动态力成为静态力时，由于表面漏电，电荷迅速泄漏消失。压电效应归纳，(正)压电效应：在特定方向施加力并变形时，其内部发生极化现象，同时在这两个表面产生符号的相反电荷。(威廉莎士比亚、传记、传记、传记、传记、传记、传记、传记、电力、电力、电力)外部力量被移除后，再次回到未充电的状态。力的方向改变时，电荷的极性也

3、随之变化的现象。机械能传记(反相器)压电效应：在特定介质极化方向施加电场时(交变)，牙齿介质还会引起机械变形现象。去除外加电场时，电介质变形相应消失的现象。通常称为(传记伸缩效果)。传记机械能具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料可以实现机械能的相互转换，如图6-1所示。第二，压电材料的分类和特性，压电传感器的压电元件材料一般有三种茄子类型：第一类是压电晶体(如上面的石英晶体)；第二类是极化压电陶瓷。第三类是聚合物压电材料。压电材料的主要特性参数为：(1)压电常数压电常数是测量材料压电效应强弱的参数，与压电输出的灵敏度直接相关。(2)弹性常数压电材料的弹性常数和刚度决定压电装置的固有频率和动

4、态特性。(3)介电常数与特定形状、大小的压电元件的固有电容和介电常数相关。固有电容影响压电传感器的频率下限。(4)机械耦合系数等于压电效应中转换输出能量(如传记)和输入能量(如机械能)比率的平方根。是衡量压电材料传记机械能转换效率的重要参数。(5)电阻压电材料的绝缘电阻降低了电荷泄漏，改善了压电传感器的低频特性。(6)居里点压电材料开始失去压电特性的温度称为居里点。常用压电材料性能参数。1，石英晶体石英晶体化学式为SiO2，单晶结构。图6-2(a)表示天然结构的修改外观。它是立方体，石英晶体各方向的特性不同。其中垂直轴z称为光轴。立方体通过轮廓线并垂直于光轴的X轴称为轴。与x和z轴同时垂直和垂

5、直的立方体棱镜的轴y称为机械轴。通常，通过轴向X方向的力作用产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。在机器轴Y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压力效应”。沿光轴z方向受力时，不会发生压电效应。在晶体中，在Y方向切割图6-2(c)中所示的芯片，在轴向施加力的情况下，在垂直于轴X的平面中产生电荷。大小为qx=d11 Fx (6-1)格式：d11x方向力的压力系数。Fx作用力。在同一层切面上，在机器轴y方向应用力fy，将在垂直于x轴的平面上生成电荷QY。大小以qy=(d12 Fy) (6-2)格式表示：在d12y轴方向受力的压电系数，d12=-d11为A，b晶体切片长度和厚度。电荷qx和QY

6、的符号由力的性质决定。石英晶体的上述特性与内部分子结构相关，图6-3是在一个细胞组内构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于Z轴的x-y平面上的投影，类似于正六角形阵列。在图中，“”表示Si4离子，“”表示氧离子O2。石英晶体不受外力影响时，正负离子正确分布在正六角形的顶角上，形成成120角的三个电偶极矩P1，P2，P3。图6-3(a)所示。因为P=qL，q是电荷，l是正负电荷之间的距离。当晶体不受外力作用时，正负电荷中心重合，传记偶极矩的矢量和0，即P1 P2 P3=0，因此晶体表面在不产生电荷的情况下保持中立。晶体在X轴方向的压力下作用，晶体沿X方向发生压缩变形，阳离子和阳离子的相对位置也随

7、之改变。如图6-3(b)所示，正负电荷重心不再重合，X方向的传记偶极矩的分量因P1的减小和P2，P3的增加而不是0，即(P1 P2 P3)0牙齿。正电荷在X轴的正方向出现，Y方向的传记偶极矩的分量仍然为零，并且电荷不出现。当晶体受Y轴方向的压力影响时，晶体的变形如图6-3(c)所示，如图6-3(b)所示，P1牙齿增加，P2，P3牙齿减少。在x轴上发生电荷，它的极性是x轴正负电荷。y轴方向上不显示电荷。沿z轴施加力时，晶体在x和y方向发生的变形完全相同，因此正负电荷中心一致，与电偶极矩矢量牙齿为零。这意味着沿z轴施加力，晶体不会产生压电效应。力Fx，Fy的方向相反时，电荷的极性也随之变化。(a)

8、晶体，自然形成的晶体形状，自然形成的晶体形状，晶体切片和封装，石英片，双面电镀和封装，石英晶体晶体振荡器(晶体)，石英晶体在振动电路中工作时，压电效应和逆压电效应交替作用，产生稳定的振动输出频率。石英晶体、(2)压电陶瓷、压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，比石英晶体的压电灵敏度高得多，但制造成本低，目前国内外生产的压电元件大多采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料是钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)和非铅系压电陶瓷，例如BaTiO3等。极化处理过程压力陶瓷是人工制造的多晶压力材料。材料内部的晶粒有一定的极化方向，有很多存在电场的自发极化传记区域。没有外部电场时，类别在晶体中杂乱分布，它们的极化效果徐璐抵消

9、，压力陶瓷内的极化强度为零。因此，原来的压电陶瓷是中性的，没有压电性能。图6-4(a)所示。在陶瓷上施加外部电场时，电场的极化方向倾向于旋转，以外部电场的方向排列，使材料极化。外部电场越强，越多的电场向外部电场的方向完全改变方向。外电场的强度使材料的极化饱和的程度。也就是说，当所有电极极化方向与外电场一致时，外电场去除后，电场的极化方向基本不变。也就是说，剩余的极化强度很大。这时材料具有压电特性。极化处理后，陶瓷材料内部仍然存在很强的残留极化。陶瓷材料受外力影响时，传记区域的边界移动，传记区域偏转，产生剩余极化强度的变化，因此在垂直于极化方向的平面上出现极化电荷的变化。由力产生的机械效应转变为

10、电效应，机械能转变为电的现象是压电陶瓷的正压电效应。电荷的大小与外力成正比：q=d33F (6- 3)式中：d33压电陶瓷的压电系数；f作用力。压电陶瓷的压电系数比石英晶体大小得多，因此压电陶瓷制作的压电传感器的灵敏度高。极化后压力陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，其参数也随时间变化，削弱压力特性。最先使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3)。那是碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合烧结的。它的压电系数大约是石英的50倍。但是使用温度低。最高70。温度稳定性和机械强度不如石英。目前常用的压电陶瓷材料是钛酸铅(PZT系列)，由钛酸(BaTiO3)和溴酸铅(PbZrO3)组成的Pb(ZrTi)O

11、3。它具有高压电系数和高工作温度。镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。不同性能的压电陶瓷，根据镁酸铅(Pb(Mg Nb )O3)、溴酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)徐璐以不同比例配制，具有极高的压力系数和高工作温度，可以承受高压力。压电陶瓷形状、无铅压电陶瓷及其转换器形状(上海硅酸盐研究所开发)、(3)聚合物压电材料、典型聚合物压电材料包括聚偏氟乙烯(PVF2或PVDF)、聚偏氟乙烯(PVF)和改性聚氯乙烯(PVC)。它是柔软的压电材料，可以根据需要制作薄膜或电缆套管等形状。不容易破碎，具有防水性，可以通过大量的连续拉动制造出大面积或长尺度，价格低廉，频率响应范围广，动态范

12、围可达80dB。(David assell，Northern Exposure(美国电视电视剧)，聚合物压电薄膜和拉，用聚合物压电材料制成的压电薄膜和电缆，用于波形分析和警报的聚合物压电踏板，压电预警机，用聚合物压电薄膜制成的压电扬声器电荷放大器可以将压电传感器输出的电荷转换为电压，1，压电传感器的等效电路可以通过压电元件的工作原理知道，压电传感器可以被认为是电荷发生器。同时也是电容器。在晶体中收集正负电荷的两个表面对应于电容器的两个极板，极板间物质等同于一个介质，其传记容量是形式中：A压电板的面积。d压电片厚度；r压电材料的相对介电常数。(6-4)，第二压力传感器的测量转换电路，压电传感器可

13、对应于与电容器平行的电压源。如图6-5(a)所示，电容器的电压Ua、电荷Q和容量Ca也可以与电荷源相同。图6-5(b)所示。压电传感器在实际使用中始终连接到测量仪器或测量电路，因此必须考虑电缆的等效容量Cc、放大器的输入传记Ri、输入容量Ci和压电传感器的漏电电阻Ra。这样，压电传感器对应于测量系统中的实际等效电路，如图6-6所示。，(6 -5)，2，压电传感器的测量电路压电传感器本身的内部阻抗高，输出能量小，因此测量电路通常需要接近高输入阻抗的前置放大器。其作用是将高输出阻抗转换为低输出阻抗。二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可能是电压信号或电荷信号，因此前置放大器也有两种茄子形

14、式：电压放大器和电荷放大器。1 .电压放大器(阻抗转换器)图6-7(a)、(B)是电压放大器电路图及其电路。在图6-7(b)中，电阻R=RaRi/(Ra Ri)，电容器C=Ca Cc Ci，ua=q/Ca，压电元件受正弦f=Fmsint影响时的电压D压电系数。从而获得放大器输入端电压Ui。复数形式为，(6 -7)，大小为，(6 -8)，输入电压和作用力之间的相位差为，(6 -9)。理想情况下，传感器的Ra电阻值和前置放大器输入电阻。一般认为是03点。您可能认为Uim不相关。0表示测量电路时间常数的倒数。也就是0=1/R(Ca Cc Ci)。(6 -10)，在R(Ca Cc Ci)1中，放大器输入电压Uim等于(6-10)。格式的Cc是连接电缆电容器，如果电缆长度改变，Cc也会改变，Uim也会改变。因此，压电传感器和前放大器之间的连接电缆不能自由更换。否则，将发生测量误差。这表明压电传感器具有良好的高频响应。但是，如果压电元件力为静态力(=0)，则前置放大器的输入电压为0。压电传感器不能用于静态力测量，因为电荷通过放大