第五章压电传感器

1、5.1 压电效应压电效应5.2 压电材料压电材料5.3 等效电路和测量电路等效电路和测量电路5.4 压电传感器及其应用压电传感器及其应用第五章第五章 压电传感器压电传感器5.1 压电效应压电效应l压电效应压电效应l石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应l压电系数压电系数l压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应一、压电效应一、压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会形时，其内部会产生极化现象产生极化现象，同时在它的两个，同时在它的两个相对表面上出现相对表面上出现正负相反的电荷正负相反的电荷。 二、石英晶体的压电效应二、石英晶体的压电效

2、应1、石英晶体的结构：六棱柱X轴轴:电轴：电轴：Y轴轴:机械轴机械轴Z轴轴:光轴光轴石英晶体石英晶体2、压电效应机理、压电效应机理石英晶体即二氧化硅石英晶体即二氧化硅, 化学式为化学式为SiO2； 代表代表Si 4+, 代表代表2O2-，成正六边形排列。，成正六边形排列。+直接压电效应直接压电效应是由居里兄弟在1880 年发现的。他们指出，当把一重物放在一石英晶体上时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物电荷量和重物的质量成正比的质量成正比。 3、横向压电效应和纵向压电效应、横向压电效应和纵向压电效应机械轴：横向压电效应电轴：纵向压电效应光轴： 没有压电效应二、压电常数二、压电常数1、光轴、电

3、轴、机械轴 光轴：Z轴 电轴：X轴 机械轴：Y轴2、沿电轴（、沿电轴（X）方向）方向 受到外力受到外力F与电轴垂直的平面与电轴垂直的平面产生产生q11则：q11 =d11F1其中：d11为压电常数，单位：库仑牛顿,即CN； q11的单位为库仑（C）, F1的单位为牛顿（N）。切片上产生的电荷大小与切片的几何尺寸无关切片上产生的电荷大小与切片的几何尺寸无关3、沿机械轴受到、沿机械轴受到 外力为外力为F在与电轴（在与电轴（X）垂直）垂直的平面产生的平面产生q1221121212FtldFtwlwdql、t、w 分别为石英晶体的长度、厚度和宽度, 单位：米（m）沿机械轴方向对晶片施加作用力时,切片上

4、产生的电荷大小与切片的几何尺寸有关。三、压电陶瓷的压电效应三、压电陶瓷的压电效应l压电陶瓷：压电陶瓷：人工多晶压电材料，由无数细微电畴电畴构成。 钛酸钡压电陶瓷的电畴结构示意图压电陶瓷的极化：压电陶瓷的极化：高温高温+强电场：强电场：2-3h极化方向：Z方向d33=19010-12CN,d31=d32=-0.41d33=-7810-12CN钛酸钡的压电系数：钛酸钡的压电系数：5.2 压电材料压电材料l压电晶体l压电材料l新型压电材料一、压电晶体一、压电晶体l压电晶体的种类很多,如石英、酒石酸钾钠、电气石、磷酸铵（ADP）、硫酸锂等。其中,石英晶体是压电传感器中常用的一种性能优良的压电材料。晶片

5、面与晶片面与X轴垂直轴垂直晶片面与晶片面与Y轴垂直轴垂直石英晶体特点石英晶体特点l稳定，介电常数和压电常数的温度稳定性好。0-200，温度每升高一度，降低，温度每升高一度，降低0.061%400，降低，降低5% 超过超过500 ，d11急剧下降急剧下降l迟滞小、线性范围宽、重复性好l压电常数小，大多用在标准传感器、高精度传感器二、压电陶瓷二、压电陶瓷l压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟l温度稳定性、长期稳定性、机械长度相对低l常用陶瓷材料：钛酸钡，锆钛酸铅（PZT）、铌酸锂等。常用压电材料的性能参数 小结小结1、压电材料：、压电材料：压电晶体：压电晶体：压电陶瓷：压电陶瓷：2、压电效应：、压电

6、效应：顺顺(正向正向)压电效应：压电效应：逆逆(反向反向)压电效应：压电效应：石英石英锆钛酸铅（锆钛酸铅（PZT）形变转换成电形变转换成电电转换成形变电转换成形变3、压电材料、压电材料的结构、压电常数的结构、压电常数4、居里点、居里点压电材料的压电材料的压电特性会随温度升压电特性会随温度升高时而消失，高时而消失，这个临界温度称为这个临界温度称为居里点。居里点。5、石英谐振器、石英谐振器当当石英晶体薄片受到石英晶体薄片受到外加交变电场外加交变电场的作用时会产的作用时会产生生机械振动机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体

7、谐振频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。特性的反应。5.3 等效电路和测量电路等效电路和测量电路5.3.1：等效电路：等效电路 当压电传感器的压电元件受力时当压电传感器的压电元件受力时,在电极表面在电极表面就会出现电荷就会出现电荷,且两个电极表面聚集的电荷量相且两个电极表面聚集的电荷量相等等,极性相反。极性相反。 可以把可以把压电传感器压电传感器看作是一个看作是一个静电荷发生器静电荷发生器,而而压电元件压电元件在这一过程可以看成是一个在这一过程可以看成是一个电容器电容器,其其电容量电容量Ca为为:)(0FtstsCrat等效等效1：电荷元与电容并联：电荷元与电容并联等效等效

8、2: 电压源与电容串联电压源与电容串联实际等效电路实际等效电路 绝缘内阻电缆电容前置放大电容和电阻5.3.2 测量电路测量电路信号特点：输出阻抗高，信号弱信号特点：输出阻抗高，信号弱前置放大器：前置放大器： 1、作用：、作用： 阻抗匹配，防止电荷迅速泄露阻抗匹配，防止电荷迅速泄露 放大微弱信号放大微弱信号 2、两种形式、两种形式： 电压放大器，电荷放大器电压放大器，电荷放大器1、电压放大电路、电压放大电路等效电阻等效电阻R为为iaiaRRRRR等效电容等效电容C为为C=Cc+Ci外力：外力：F=Fm sint, 电压值为电压值为：aaCqU2211)()(1icamsrmCCCRRFdUsrU

9、amaCtFdCFdsin1111放大器输入端的电压为放大器输入端的电压为Usr,表示成表示成复数形式复数形式为：为：前置放大器的前置放大器的输入电压的幅值输入电压的幅值Usrm为为)/(/CCaCsZRZZRUCCaaZRZcRZCFd/)/(111)(111CCRjRjFda2211)()(1icamsrmCCCRRFdU1、=0=0，U Usrm srm =0=02、灵敏度、灵敏度:2211)()(1CCRRdFUkamsrm变小，灵敏度降低3、压电传感器与前置放大器之间的电缆不能乱用、压电传感器与前置放大器之间的电缆不能乱用压电传感器不能测量静态信号压电传感器不能测量静态信号5.4 压

10、电传感器及其应用压电传感器及其应用5.4.1压电传感器中压电片连接压电传感器中压电片连接q=2q, U=U, C=2Cq=q, U=2U, UU压电片两种连接的特点及压电片两种连接的特点及适用范围适用范围5.4.2：应用：应用膜片式压电膜片式压电压力压力传感器：输出电量正比于压力传感器：输出电量正比于压力石英晶体微天平石英晶体微天平 银膜银膜石英晶体石英晶体聚合物聚合物精度：纳克精度：纳克石英晶体微天平的原理：石英晶体微天平的原理： 当当石英晶体薄片受到石英晶体薄片受到外加交变电场外加交变电场的作用时会产的作用时会产生生机械振动机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很