多次压电效应对压电力传感器静态特性的影响_图文

1、收稿日期:2008209220基金项目:国家自然科学基金资助项目(50675026,50475152作者简介:张忠华(19802,男,吉林省松原市人,博士生,主要从事传感器与执行器技术研究。文章编号:100422474(20090320360204多次压电效应对压电力传感器静态特性的影响张忠华,孙宝元,钱敏,张军,石银辉,周喜(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连116024摘要:采用两片由压电系数d 11转换的x y 切型压电石英晶片构成单元晶组,研究了多次压电效应对压电传感器的影响,通过与传感器并联电容的方法使其不发生多次压电效应,得出了多次压电效应对传感器静态灵敏度的影响

2、,实验结果表明,在0.1F 的并联电容下,传感器的灵敏度从4.00pC/N 增大到4.07pC/N ,提高了1.75%,进一步分析表明,传感器灵敏度发生变化的实质是多次压电效应影响了压电系数,同时探讨了灵敏度提高后多次压电效应对弹性系数以及传感器刚度和固有频率的影响。多次压电效应的研究为压电类传感器性能的提高提供了一种新方法。关键词:多次压电效应;石英晶体;压电传感器;灵敏度;压电系数中图分类号:T H82;TP212文献标识码:AInfluence of Multiple Piezoelectric E ffects on Static Performance of Piezoelectri

3、c SensorsZHANG Zhong 2hu a ,SUN B ao 2yuan ,QIAN Min ,ZHANG Jun ,SHI Yin 2hui ,ZH OU Xi(Key Lab.for Precision &Non 2traditional Machining Technology of Ministry of Education ,Dalian University of Technology ,Dalian 116024,China Abstract :Through composing a piezoelectric group consisting of two

4、x y cutting 2type quartz wafers transformed by d 11,the influence of multiple piezoelectric effects on piezoelectric quartz sensors is studied.The influence of the static sensitivity of piezoelectric sensors is obtained by means of the method that a capacitor is paralleled with the sensor to elimina

5、te the multiple piezoelectric effects.The experimental result shows that sensor s static sensitivity in 2creases f rom 4.00pC/N to 4.07pC/N under 0.1F parallel capacitor ,improving sensitivity by 1.75%.Further a 2nalysis indicates that the multiple piezoelectric effects have an influence on the piez

6、oelectric coefficient that makes the sensitivity alter.Meanwhile ,the influence on the elastic coefficient and the stiffness and the natural frequency of sensors is investigated after sensitivity is improved.The study of multiple piezoelectric effects provides a new meth 2od for the improvement of p

7、erformance of piezoelectric sensors.K ey w ords :multiple piezoelectric effects ;quartz crystal ;piezoelectric sensors ;sensitivity ;piezoelectric coeffi 2cient随着人类对微观物质和宇观世界的探索不断向新的深度和广度拓展,对摄取信息的关键器件传感器提出了更高的要求1。一直以来,人类社会不断致力于改变信息摄取落后的现状,传感器技术成为迅猛发展起来的高新技术之一,它与通信技术、计算机技术构成了信息技术的三大支柱。压电式传感器以其频响高,体积小

8、,质量轻,频带宽和应用范围广等特点而备受青睐2,目前国内外研究者仍在不懈努力地提高压电传感器的性能以扩展其应用领域。文献3已证明压电体不仅存在一次压电效应,还发生多次感生压电效应,即在外场作用下压电体的机械能与电能发生连续相互转化,而且二次、三次.感生效应影响方向总是与所施加外场方向相反,对原效应的效果产生阻碍作用,因此,多次压电效应的存在势必对压电传感器与执行器的性能产生影响。灵敏度是传感器的一个重要指标,指输出量的增量与相应输入量的增量之比,它已成为传感器技术研究的热点之一4。本文以两片x y 切型石英晶片组成的压电传感器为实验对象,研究了多次压电效应对压电石英传感器静态灵敏度的影响,并在

9、实验的基础上进一步分析了多次压电效应对灵敏度影响的实质,以及压电传感器的灵敏度提高后多次压电效应对传感器刚度和固有频率产生的影响。第31卷第3期压电与声光Vol.31No.32009年6月PIEZO EL ECTECTRICS &ACOUSTOOPTICSJ un.20091实验1.1实验原理多次压电效应的产生与压电体所处的边界条件密切相关5。压电体在外力作用下产生多次压电效应的前提是其处于电学开路边界条件,此时通过正压电效应在电极面上产生的电荷不会流失,电极面上因有电荷累积而形成电场,那么压电体必然会发生二次逆压电效应,产生附加的压电应变,又引起晶体内部的电极化发生变化,通过三次正压

10、电效应产生新的电场,压电体中再次开始了新的机电转换,即压电体从只施加外应力T开始,依次产生的一次及多次压电效应的过程为:应力T电位移D(1应变S(2电位移D(3应变S(4.,由于感生效应对原效应所起的阻碍作用,多次压电效应产生的相邻两个力学量的方向相反,产生的电学量亦然。因压电体的机械能与电能转换极快,多次正压电效应产生的电位移叠加在一起,多次逆压电效应产生的应变也叠加在一起。可见,为了显示出多次压电效应的影响,必须采取一定的方法使压电体不发生多次压电效应。通过与压电体并联一个比它的等效电容量大得多的电容器,使压电体在施加外力时产生的几乎所有电荷都储存于此电容器上,压电体的电极面就没有电荷来产

11、生附加电场,即压电体上的附加电场几乎为零,则不能发生二次逆及其后的多次压电效应,从而就能得到不发生多次压电效应的压电体。1.2实验装置实验中的压电体采用由压电系数d11转换的x y 切型压电石英晶体6,为使实验效果显著,使用两片x y切型晶片对装组成一个单元晶组,信号引出电极夹在两片中间,晶组上、下电极连接在一起,石英晶组的面积为18mm×18mm,绝缘阻抗为5×1013,等效电容为19p F,d11为2.31p C/N,压电石英传感器的晶组结构与实物如图1所示。压电石英传感器并联电容后将增加电路中的容性负载,输出电压就会因与电容成反比函数而变小,但传感器所感生出来的电荷却

12、与外接电容无关,所以,该压电测试系统中与压电传感器配接的前置放大器必须采用电荷放大器,它具有高输入阻抗、高增益和电容深度反馈,其输出电压仅与传感器上所产生的电荷和电荷放大级的反馈电容有关,实验中使用江苏联能电子技术有限公司生产的YE5850B电荷放大器,采用高质量进口器件,稳定可靠,其输入等效直流电阻可达1014。标准载荷的施加是静态标定的关键,实验采用高精度、高刚性的压电石英晶体三向力传感器静态标定装置,配有三级标准测力计(测力环,其精度为±0.3%,完全适合于石英力传感器的标定要求。显示仪表采用高精度的惠普HP34401A万用表,可提供6位数字分辨率。多次压电效应对压电石英传感器

13、静态特性影响的实验结构如图2 所示。1.3实验过程实验采用与压电石英传感器并联电容的方法来检测多次压电效应对传感器的影响,即是要测试传感器并联电容前后的变化情况。此外,传感器在制作完成后对其进行检定也是传感器使用的必须步骤,即通过实测来建立输入量和输出量之间的关系。所以实验需要首先对压电传感器与电荷放大器、数字万用表一起组成的系统进行标定,以确定测试系统的各环节工作正常,然后在相同的实验环境下测试传感器并联电容后的结果。为消除石英晶片与电极的接触表面间隙,实验过程中先对传感器进行预载非常必要,该压电石英传感器的预载力优选结果为600N,再将其产生的电荷消除,然后采用逐级加载法对并联电容前后的压

14、电传感器进行标定,最后比较传感器在两种情况下的差异。2实验结果2.1压电传感器静态灵敏度的标定结果压电传感器静态灵敏度的确定是由加载装置对传感器施加不同外力,通过调整电荷放大器灵敏度,最终使传感器输出量与输入量成为一条归一化曲线,则待标定传感器的灵敏度值随之确定。图3为此压电传感器在600N预紧力下的静态灵敏度标定实验曲线,通过最小二乘法进行曲线拟合,得出标定特性曲线与理论直线间的非线性度为0.37%,表明传感器在此灵敏度下具有很好的线性,该压电传感器静态灵敏度S Q=4.00pC/N。第3期张忠华等:多次压电效应对压电力传感器静态特性的影响361 图3压电传感器的静态灵敏度标定特性曲线2.2

15、压电传感器并联电容后的静态灵敏度标定结果图4为在与上述实验相同的环境且预载荷600N 下,压电传感器并联0.1F 电容后的静态灵敏度标定实验曲线。计算得出与理论直线间的非线性度为0.21%,并联0.1F (约为该传感器等效容量5260倍电容后的传感器静态灵敏度S Q =4.07pC/N 。图4并联0.1F 电容的压电传感器静态灵敏度标定曲线为进一步比较压电传感器并联电容前后的情况,就在此电荷放大器的灵敏度(4.07p C/N 下去掉并联电容,再次对传感器进行标定,得到的实验结果如表1所示。表中,U c 为并联0.1F 电容的压电传感器输出,U 为无并联电容的压电传感器输出。表1传感器在4.07

16、pC/N 灵敏度下并联0.1F 电容前后输出信号对比外力/N U c /VU /V-0.0473-0.01103000.25270.27016000.56170.56979000.86500.87231200 1.1667 1.17231500 1.4656 1.470718001.76601.76933讨论由于压电体存在多次感生压电效应,并与电磁学中的楞次定律相似,具有阻碍原效应的作用,那么其势必对压电类传感器与执行器产生一定的影响。本文通过实验证明了多次压电效应会对压电传感器的静态灵敏度产生影响,同时进一步验证了多次压电效应理论。实验采取了在压电传感器上并联电容的方法使其不发生多次压电效应

17、,再与无并联电容的传感器比较,得出了多次压电效应对压电传感器的影响,实验结果表明并联0.1F 电容的传感器静态灵敏度变化为S Q -S QS Q×100%=1.75%(1可见,多次压电效应的确对传感器产生影响,但数值显示其影响较小,主要是因为压电体机电变换中存在机械阻抗与电阻抗等消耗,感生效应在尺度上逐渐变小。由表1可看出,并联电容对传感器产生的影响不大,无并联电容的传感器即使在4.07p C/N 的灵敏度下,其标定特性曲线的非线性度也仅有0.5%,对于一些非严格要求的场合,传感器在4.07p C/N 的灵敏度下仍可使用,且实验发现虽然并联电容可使传感器静态灵敏度提高,但并联电容后使

18、电荷放大器的漂移变大,增加了测试系统的不稳定性。因此,如何在传感器并联电容后减小电荷放大器的漂移仍需进一步研究。实验说明压电传感器在相同的外力下产生了不同的电荷量,正压电效应7D m =d mj T j(2式中D m (m =1,2,3,分别对应x 、y 、z 个方向为电位移;T j (j =1,2,6为应力;d mj 为压电应变系数,表示石英晶体受j 向力作用时,在m 方向产生的电位移。对于该压电石英传感器可得电荷量Q 1=d 11F 1(3式中F 1为x 方向的外力。由式(3可知,多次压电效应对传感器静态灵敏度的影响实质是多次压电效应改变了压电体的压电系数,实际的压电系数要比压电体已知的压

19、电系数大。对于一些高精度要求的场合,多次压电效应的影响不能忽略时,压电方程应当采用修正后的压电系数以避免带来系统误差。多次压电效应不仅改变了压电系数,还对压电体的弹性系数产生影响,若压电体不产生二次逆压电效应,就失去了对弹性变形的阻碍作用,那么在同样的外力作用下压电体产生的弹性应变将变大,由弹性体的广义胡克定律7S i =s ij T j(4式中S i 为应变;s ij 为弹性柔顺系数;i ,j =1,2,6。由式(4可见,在增大传感器静态灵敏度的同时,多次压电效应也增大了压电体的s ij 。压电传感器的固有频率f 0=12k m =12ED 28mt(5362压电与声光2009年式中k为压电

20、晶体刚度,k=ED2/(8t;E为杨氏模量;D为压电晶体直径;t为压电晶体厚度;m为惯性块质量。由式(5可知,压电晶体的弹性柔顺系数变大将使其刚度变小,导致压电传感器的固有频率变小,由于压电传感器本身的固有频率很大,且上限响应频率主要取决于机械部分的固有频率,二次逆压电效应在尺度上又较小,所以并联电容后压电传感器的上限频率几乎不受影响。实验中本应通过测微仪检测并联电容前后传感器在外力作用下的弹性位移变化,来定量得出多次压电效应对传感器固有频率的影响,但由于传感器的形变很小,对其准确测量还存在一定困难,为此仍需继续进行研究。4结束语传感器是新技术革命和信息社会的重要基础,其技术水平从一个侧面反映

21、了微电子技术、光电子技术、M EMS、纳米技术、生物技术等高新技术的水平。本文基于多次压电效应主要对压电传感器静态特性的影响进行了研究,采用两片x y切型压电石英晶片组成的压电传感器进行实验,通过与传感器并联比它的等效电容量大得多的电容器,消除了压电传感器中的多次压电效应,从而得出了多次压电效应对传感器静态灵敏度的影响,实验结果表明,并联电容前后传感器的静态灵敏度从4.00p C/N增大到4.07p C/N。理论分析表明,灵敏度产生变化的实质就是多次压电效应影响了压电系数,同时它还影响压电体的弹性系数及传感器的刚度和固有频率。压电式传感器的突出特点是具有很好的高频响应特性,动态性能决定了它质量

22、的优劣,本文探索性地研究了多次压电效应对压电传感器静态特性的影响,为对压电传感器动态特性影响的研究提供了基础与思路,相信随着对多次压电效应研究的深入,它将在精密、超精密检测以及微/纳器件性能的改善中产生积极影响。参考文献:1MCGH EE J,H ENDERSON I A,SY DEN HAM P H.Sensor science2essentials for instrumentation and meas2 urement technologyJ.Measurement,1999,25(2:892113.2韩述斌.固体物理效应与现代传感器技术J.压电与声光,1997,19(4:235223

23、8.3孙宝元,钱敏,张军.机电耦合大于等于二次感生效应探析J.大连理工大学学报,1999,39(2:2682 273.4史丽萍,孙宝元,钱敏.二次压电效应的研究及利用其原理设计微驱动器的探析J.哈尔滨工业大学学报,2005,37(11:152221525.5孙宝元,张贻恭.压电石英力传感器及动态切削测力仪M.北京:计量出版社,1985.6潘玉安,曹荣祥,曹良足,等.压电陶瓷传感器灵敏度的研究J.压电与声光,2005,27(2:1282130.7孙慷,张福学.压电学(上M.北京:国防工业出版社,1984.(上接第359页参考文献:1常颖,彭太江,阚君武,等.超声振动对摩擦系数影响的试验研究J.压电与声光,2003,25(6:5112514. 2赵丽,壮凌,张春林,等.压电陶瓷控制系统及其在激光器中的应用J.压电与声光,2007,29(5:5502 553.3林仲茂.20世纪功率超声在国内外的发展J.声学技术,2000,19(2:1012104.4陈思忠.我国功率超声技术近况与应用进展J.声学技术2002,21(1:46249.5王福亮,韩雷,钟掘.键合时间对粗铝丝超声引线键合强度的影响研究J.焊接学报,2006,27(5:47251.6潘松,黄继业.EDA技术实用教