第六章压电式传感器演示文稿

第六章压电式传感器演示文稿1本文档共53页；当前第1页；编辑于星期二\20点32分2优选第六章压电式传感器本文档共53页；当前第2页；编辑于星期二\20点32分FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－1压电效应

某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。一电压效应与压电材料第一节压电式传感器

当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。

这种机械能转为电能的现象，称为“顺压电效应”。本文档共53页；当前第3页；编辑于星期二\20点32分本文档共53页；当前第4页；编辑于星期二\20点32分反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”。逆压电效应电能机械能正压电效应本文档共53页；当前第5页；编辑于星期二\20点32分本文档共53页；当前第6页；编辑于星期二\20点32分2压电材料简介压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。本文档共53页；当前第7页；编辑于星期二\20点32分二石英晶体的压电效应ZXY纵向轴Z称为光轴经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴称为电轴与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴

天然结构的石英晶体外形是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。本文档共53页；当前第8页；编辑于星期二\20点32分(a)晶体外形；

(b)切割方向；

(c)晶片

本文档共53页；当前第9页；编辑于星期二\20点32分石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。如图所示是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“＋”代表硅离子Si4+，“－”代表氧离子2O2-。(a)xy(b)+xy++---1、石英晶体产生压电效应原理本文档共53页；当前第10页；编辑于星期二\20点32分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。因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。xy+P1P2P3--++-本文档共53页；当前第11页；编辑于星期二\20点32分当晶体受到沿x方向的压力时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0在y、z方向上的分量为:

(P1+P2+P3)y=0

(P1+P2+P3)z

=0

++++－－－－XY+++---P1P2P3FXFX在x轴的正向出现正电荷，在y、z方向不出现电荷。本文档共53页；当前第12页；编辑于星期二\20点32分晶体受到沿x方向的拉力P1增大，P2、P3减小

(P1+P2+P3)x<0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向不出现电荷。(P1+P2+P3)y=0

(P1+P2+P3)z

=0Y+++--X-P2P3P1+++－－－+－FXFX

这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为纵向压电效应。本文档共53页；当前第13页；编辑于星期二\20点32分本文档共53页；当前第14页；编辑于星期二\20点32分++++－－－－XY+++---P1P2P3FYFY晶体受到沿Y方向的拉力与X方向压力相同(P1+P2+P3)x>0在x轴的正向出现正电荷，在y、z方向不出现电荷。本文档共53页；当前第15页；编辑于星期二\20点32分Y+++--X-P2P3P1+++－－－+－FYFY晶体受到沿Y方向的压力与X方向拉力相同(P1+P2+P3)x<0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向不出现电荷。

这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。本文档共53页；当前第16页；编辑于星期二\20点32分本文档共53页；当前第17页；编辑于星期二\20点32分本文档共53页；当前第18页；编辑于星期二\20点32分Y+++---XP1P2P3受Z轴力:晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。在沿z(即光轴)方向的力Fz作用下，晶体不产生压电效应。本文档共53页；当前第19页；编辑于星期二\20点32分为作用力。2、纵向压电效应xazybcFXFX++++－－－－－－－－++++XX为x方向受力的压电系数；为产生的电荷本文档共53页；当前第20页；编辑于星期二\20点32分3、横向压电效应++++－－－－++++－－－－FYXFYX为作用力。为y方向受力的压电系数为产生的电荷xazybc因石英轴对称,a：厚度b：宽度本文档共53页；当前第21页；编辑于星期二\20点32分

①当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；

④晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；

⑤无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。结论：本文档共53页；当前第22页；编辑于星期二\20点32分三压电陶瓷的压电特性无外电场作用时总极化强度为零外电场去掉后具剩余极化强度人造多晶体：经极化处理后的人造多晶体施加外电场时电畴自发极化方向与外电场一致本文档共53页；当前第23页；编辑于星期二\20点32分－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极＋＋＋＋＋极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度束缚电荷会吸附自由电荷陶瓷片对外不表现极性本文档共53页；当前第24页；编辑于星期二\20点32分这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。d33:压电陶瓷压电系数F：作用力加外力＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋

＋极化方向F电畴偏转，极化强度变小，自由电荷释放－－－－－＋＋－－本文档共53页；当前第25页；编辑于星期二\20点32分本文档共53页；当前第26页；编辑于星期二\20点32分逆压电效应：由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ本文档共53页；当前第27页；编辑于星期二\20点32分本文档共53页；当前第28页；编辑于星期二\20点32分四压电材料①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。③电性能。高电阻率和大介电常数。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。压电材料具备主要特性：指压电材料开始丧失压电特性的温度。返回本文档共53页；当前第29页；编辑于星期二\20点32分1、石英晶体石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其压电系数的温度稳定性相当好。在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。斜率：－0.016％/℃1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20t℃石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性本文档共53页；当前第30页；编辑于星期二\20点32分

优点：

性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。

缺点：价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。用于标准仪器或要求较高的传感器中。

切割：

各向异性晶体，按不同方向切割，物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。

组成：

天然和人工培养两种类型。因其物理和化学性质几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。本文档共53页；当前第31页；编辑于星期二\20点32分天然形成的石英晶体外形本文档共53页；当前第32页；编辑于星期二\20点32分人工合成水晶双面镀银并封装压电晶片石英晶体薄片石英晶体切片及封装本文档共53页；当前第33页；编辑于星期二\20点32分

⑴钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有较大的压电系数约为石英晶体的50倍。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2、压电陶瓷本文档共53页；当前第34页；编辑于星期二\20点32分

⑵

锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）

锆钛酸铅与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。

本文档共53页；当前第35页；编辑于星期二\20点32分本文档共53页；当前第36页；编辑于星期二\20点32分压电陶瓷外形超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片本文档共53页；当前第37页；编辑于星期二\20点32分1.压电晶片的连接方式四压电传感器等效电路

由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的。所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路—定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。本文档共53页；当前第38页；编辑于星期二\20点32分在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。本文档共53页；当前第39页；编辑于星期二\20点32分并联连接+++------++++-并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。本文档共53页；当前第40页；编辑于星期二\20点32分串联连接+++------+++-+串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于测量电压作输出信号和快变化信号的场合。返回本文档共53页；当前第41页；编辑于星期二\20点32分2、压电传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集等量的正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为:

A——压电片的面积；d——压电片的厚度；ε——压电材料介电常数。本文档共53页；当前第42页；编辑于星期二\20点32分＋＋＋＋――――q电极压电晶体qCe静电发生器电容器本文档共53页；当前第43页；编辑于星期二\20点32分

压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ce的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容器Ce的并联电路，如图(b)。（a）电压等效电路CeU＝q/Ceq＝UCeCe（b）电荷等效电路本文档共53页；当前第44页；编辑于星期二\20点32分Cc：连接电缆等效电容Ri：放大器输入电阻Ci：放大器输入电容Rd：传感器泄漏电阻实际等效电路本文档共53页；当前第45页；编辑于星期二\20点32分3、压电传感器的测量电路

压电传感器本身的内阻抗很高(大于1010欧姆），输出能量较小，给后续测量电路（放大电路）提出很高要求。为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常需要接入