自动检测与转换技术-第八章-副本

第8章压电式传感器压电效应：对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应。逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会产生变形，当外电场撤离时，变形也随着消失，这种现象称为逆压电效应。2023/2/62第8章压电式传感器★

利用电介质受力变形，内部产生的极化现象★去掉外力后，电荷消失后状态复原★

作用力相反，电荷极性也发生变化逆压电效应：

当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。（电致伸缩效应）正压电效应：2023/2/632、压电效应方程应力

T1、T2、T3

轴向正应力（拉应力为正，压应力为负）T4、T5、T6

绕轴切应力

(逆时针方向为正)

σ1、σ2、σ3在垂直于xyz轴表面上的电荷密度2023/2/64单一应力作用下的压电效应dij为j方向应力引起i面产生的电荷时的压电常数单位：库仑/牛顿Tj－单位为帕σi

－库仑/米2

2023/2/65纵向压电效应横向压电效应面切压电效应剪切压电效应i=ji≠jj－i＝3j－i≠3应力⊥电荷面应力∥电荷面应力面∥电荷面应力面⊥电荷面Ti为轴向应力（T1~T3）Ti为切向应力（T4~T6）+--++-+-单一作用力下的压电效应有以下四种类型2023/2/66在多应力下的压电效应电荷产生面i上的总电荷密度dij的可能值2023/2/673、力——电荷转换公式电荷产生面积Si电荷量Qi在j方向受力面积Sj在j方向受外力Fj

2023/2/68对于纵向压电效应对于横向压电效应i≠j2023/2/69二、压电材料类型：压电晶体(单晶体)如石英晶体压电陶瓷(多晶陶瓷)新型压电材料（压电半导体和有机高分子）1、石英晶体材料特点：1）晶体各个方向的特性不相同

2）Z轴方向没有压电效应

3）X轴面压电效应最强

4）Y轴方向机械变形最大2023/2/610石英晶体

石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。建立晶体学中的空间坐标系2023/2/611Z轴为中性轴(光轴):对称轴沿该方向受力时不产生压电效应x轴为电轴:纵向压电效应，压电效应最强y轴为机械轴:横向压电效应，沿该轴产生的机械变形最明显坐标系压电晶体切片2023/2/612Oyzxmmm压电常数矩阵d11=2.31×10-12(C/N)d14=0.74×10-12(C/N)石英晶体不是在任何方向都存在压电效应石英晶体受压力或拉力时，产生压电效应，电荷的极性如图所示。晶片受力方向与电荷极性的关系2023/2/614正常情况下石英体中正负电荷处于平衡，外部呈中性。不受力yxyx晶体在x方向受力晶体在y方向受力正负电荷产生移动，相对位置发生变化出现带电现象。FyFyFxFx石英晶体压电模型2023/2/615P1P2P3当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图所示。xy石英晶体压电模型2023/2/616P1P2P3

当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。xy石英晶体压电模型2023/2/617P1P2P3

此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零xy石英晶体压电模型2023/2/618P1P2P3++++++++++++

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xy石英晶体压电模型2023/2/619P1P2P3++++++++++++

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电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。xy石英晶体压电模型2023/2/620P1P2P3xy当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图所示石英晶体压电模型2023/2/621P1P2P3xy石英晶体压电模型2023/2/622P1P2P3---------++++++++xy

P1增大,P2、P3

减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。石英晶体压电模型2023/2/623如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。石英晶体压电模型2023/2/624

2、压电陶瓷

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质，因此在一定温度的条件下进行极化处理是必不可少的步骤。2023/2/625压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体伸长剩余伸长极化前极化时极化后电畴无序排列电畴有序排列电畴基本有序2023/2/626在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向基本不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。

压电陶瓷2023/2/627当陶瓷材料（剩余极化很强）受到外力作用时,电畴的界限发生移动,电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的变化,因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。电荷量的大小与外力成正比关系:q=d33F式中:d33——

压电陶瓷的压电系数;F——作用力。压电陶瓷的正压电效应：2023/2/628压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多（约为石英的50倍）,所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关,它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。温度稳定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅,它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成，有较高的压电系数和较高的工作温度。2023/2/629压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出的灵敏度弹性系数：材料的弹性常数，决定着器件的固有频 率的动态特性介电常数：固有电容与介电常数有关电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性居里点：材料开始丧失压电特性的温度,石英573°3、压电材料的主要特性：如何选何用合适的压电材料（1）转换性能：具有较高的耦合系数或较大的压电系数。压电系数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2）机械性能：作为受力元件，压电元件应具有较高的机械强度、较大的机械刚度。（3）电性能：具有较高的电阻率和大的介电常数。（4）温度和湿度稳定性：具有较高的居里点。（5）时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。2023/2/631三、压电元件1、等效电路压电元件的两电极间形成一个电容e—压电陶瓷或石英晶体的介电常数s—极板面积h—压电元件厚度当受外力作用时，产生电荷Q电荷等效：Q＝CaUa电压等效：2023/2/632↑QCaQ=CaUa↑Ua电荷等效电路电压等效电路当不受外力时Q＝0，Ua＝02023/2/633

＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－＋＋＋＋－－－－1）串联

串联使压电传感器时间常数减小，电压灵敏度增大，适合于电压输出、高频信号测量场合。2）并联

并联使压电传感器时间常数增大，电荷灵敏度增大，适合于电荷输出、低频信号测量场合。

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＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－2、压电元件的串并联多片压电元件的组合34四、测量电路1、压电传感的等效电路

测量电路需接一个高输入阻抗的前置放大电路。该放大器有电压放大器和电荷放大器。实际等效电路压电元件的Ca,Ra,电缆的Cc前置放大器的Ri,Ci2023/2/635可简化为定义电流2、电压放大器2023/2/636Z1＝R∥C＝电压放大增益输出电压2023/2/637：电荷灵敏度d因为所以转换灵敏度具有一阶高通滤波特性2023/2/6383、电荷放大器Z2＝RF∥CF＝减小零漂理想运放条件下，R和C两端电压均为0，I全部流过Z22023/2/639输出电压固有频率也具有一阶高通滤波特性灵敏度只与CF有关多片压电元件的组合压电式传感器应用举例1．压电式压力传感器被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，便使晶片产生电荷，负电荷由片形电极（负极）输出，正电荷与上盖和底座连接。2．压电式加速度传感器当加速度传感器与被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，惯性力是加速度的函数，F=ma惯性力F作用