压电式传感器-new

压电式传感器压电式传感器一、压电效应二、压电材料压电特性三、等效电路与测量电路四、压电传感器及其应用五、影响压电传感器工作的主要因素压电式传感器是一种典型的自源型传感器；基于具有可逆性的压电效应，是一种典型的“双向传感器”。工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。应用于各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。6.1压电效应1.压电效应某些电介质在沿一定方向上受外力作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会发生变形，去掉电场，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。6.2压电材料1、主要特性参数*：（1）压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数，与压电输出灵敏度有关。（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有频率和动态特性。（3）介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4）机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量与输入能量之比的平方根，是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点温度：压电材料丧失压电特性的温度。2、压电材料分类1）压电晶体(单晶体)-石英晶体（SiO2）硅材料为立方晶体,是各向异性材料。许多物理特性取决于晶向，如弹性性质、压电性质。单晶硅具有很好的热导性，是不锈钢的5倍，而热膨胀系数则不到不锈钢的1/7。2）压电陶瓷(多晶半导体)3）新型压电材料3、石英晶体与压电特性石英晶体是单晶体结构，各向异性特点突出。天然石英晶体的理想外形是六角棱柱体，其结构在晶体学中可用三坐标轴表示，其中纵轴Z-Z称光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X-X轴称电轴；与X-X轴和Z-Z轴都垂直的Y-Y轴（垂直六角棱柱体棱面）称机械轴。通常把沿X向的力作用下产生电荷的压电效应称“纵向压电效应”，把沿Y向的力作用下产生电荷的压电效应称“横向压电效应”，沿Z向受力无压电效应。ZXY(a)(b)ZX石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系石英晶体切片*假设从石英晶体上切下一片平行六面体—晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴（如图），并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。石英晶体切片坐标图石英晶体切片图压电特性晶体受x方向的压力Fx作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷qx与作用力Fx成正比，即qx=d11Fx其中，d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体的d11=2.31x10-12C/N；qx-垂直于X轴平面上的电荷；Fx-沿X轴方向的作用力压电系数dij有两个下标，即i和j，其中下标i（i=1，2，3）表示在i面上产生的电荷，例如i=1，2，3分别表示在垂直于x、y、z轴的晶片表面即x、y、z面上产生的电荷。下标j=1，2，3，4，5，6，其中j=1，2，3分别表示晶体沿x、y、z轴方向所受的正应力；j=4，5，6则分别表示晶体在x、y、z面上所受的剪切应力。电荷qx的符号表示受压力还是受拉力切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比。晶片电荷极性与受力关系如图若在同一切片上,沿机械轴y方向加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为qy=d12(L/a)Fy式中，d12--y向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性,有d12=-d11；qy--垂直于x轴平面上的电荷；Fy--沿y向加的作用力；L、a-晶体切片的长度、厚度。Y向作用力在晶体产生的电荷与晶体切片的尺寸有关。Y向作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所产生的电荷极性相反，如图。压电晶体电荷极性与受力的关系当石英晶体沿z方向受力时，由于晶体沿x方向和y方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即d13=0。石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图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。当石英晶体无外力作用时，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（a）。由于p=ql，q为电荷量，l为正负电荷之间的距离。此时正负电荷重心重合，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，即呈中性。小结：①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）之间呈线性关系；②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向一定存在逆压电效应；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应。4、压电陶瓷及其压电特性压电陶瓷是人造多晶材料，有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向，从而存在一定电场。无外电场作用时，各电畴在晶体上杂乱分布，其极化效应相互抵消，原始压电陶瓷内极化强度为零（图a)。当原始压电陶瓷受外电场(20~30kV/cm)作用时，其内部各电畴的自发极化发生转动，趋向按外电场方向排列，使材料得到极化，如图b，此过程称人工极化。极化处理后，撤销外电场，陶瓷内部仍有很强的剩余极化。从而呈现压电性。直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后剩余极化的存在，使极化后的压电陶瓷在其两端出现束缚电荷。但用电压表在陶瓷片的两电极上测量时，却测不出陶瓷片内部存在的极化强度。原因是陶瓷片内的极化强度总以电偶极矩的形式呈现，也即陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。束缚电荷使陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内束缚电荷符号相反数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，从而出现放电荷现象。压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种现象就是正压电效应。＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F－＋同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场方向与极化强度的方向相同，所以电场作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内正负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由电效应转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象称逆压电效应。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）压电陶瓷的压电效应源于其内部的自发极化。这些自发极化经外部极化处理而被迫取向排列后，陶瓷内存在剩余极化强度。若外界作用（压力或电场）使此极化强度变化，陶瓷出现压电效应。陶瓷内的极化电荷是束缚电荷(非自由的)，这些束缚电荷不能自由移动。所以陶瓷中产生的放电或充电现象是通过陶瓷内部极化强度的变化引起电极面上自由电荷释放或补充的结果。通常把压电陶瓷的极化方向规定为Z轴，即对称轴。极化压电陶瓷的平面是各向同性的，在垂直Z的平面内可任选一个正交轴系，其X轴和Y轴可互易。对于Z轴极化的BaTiO3压电陶瓷,其独立压电常数只有d31,d33,d15三个。可见压电材料不是任何方向都有压电效应。6.3等效电路与测量电路1、等效电路当压电晶体受被测力作用时，它的两个极面上出现极性相反、电量相等的电荷。压电元件可看成一个静电发生器（图a）。也可视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为＋＋＋＋――――qq电极压电晶体Ca(b)(a)压电传感器的等效电路tStSCra0当两极板聚集异性电荷时，两极板呈现一定的电压，其大小为aaCqU压电元件可等效为电压源Ua和一个电容Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源q和一个电容Ca的并联电路，如图(b)。qCaUaUa＝q/Caq＝UaCaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路压电传感器等效原理仅当压电元件内信号电荷无“漏损”，外接负载无穷大时，压电元件受力产生的电压或电荷才能长期保存，否则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实上，元件内部不可能无泄漏，外电路负载不可能无穷大，只有外力以较高频率不断作用，传感器的电荷才得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。如果用导线将压电器件和测量仪器连接,则应考虑连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。CaRaCcRiCiq压电传感器的完整等效电路Ca传感器的固有电容Ci前置放大器输入电容Cc连线电容Ra传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻压电元件的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，压电元件绝缘电阻在1013Ω以上才能使内部电荷泄漏减少到可满足一般测试精度要求。与此相适应，测试系统应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。2、测量电路前置放大器的两个作用：把压电元件的高输出阻抗变换成低阻抗输出；放大压电元件输出的弱信号。前置放大器形式：电压放大器输出电压与输入电压（压电元件的输出电压）成正比；电荷放大器输出电压与输入电荷成正比。1）电压放大器－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua图（b）中等效电阻R为iaiaRRRRRaaCqUtFFmsinFm—作用力的幅值设压电元件所受作用力C=Cc+Ci而等效电容若压电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力作用下，压电元件产生的电压为amamCFdCqU33tUUmasinUm—电压幅值：aiCCRjRjFdU133由图可得放大器输入端的电压Ui，其复数形式为222331icamimCCCRRFdUUi的幅值为icaCCCRarctan2输入电压与作用力之间的相位差为令τ=R(Ca+Cc+Ci)，τ为测量回路的时间常数，根据传感器电压灵敏度Ku的定义得22332331)(1icamimUCCCRdRdFUK当R∞时，(ωR)-1=0，理想情况的灵敏度为当ωR1时，可得:KuKu*，icaUCCCdK33*icammimCCCFdRFdU3321331令测量回路角频率ω1=1/τ，可得:根据理想和实际的电压灵敏度可得相对电压灵敏度k为22*)(1)(1)(iacUUCCCRKKk由上式和相位差作特性曲线，据此可得结论：当1,即测量回路时间常数一定时，作用力变化频率越高(实际只要=3)，两者的乘积就远大于1，此时回路输出电压灵敏度越接近理想情况，前置放大器的输入电压Uim与频率无关。这说明，压电式传感器具有好的高频响应特性。k=KU/KU*当1,即一定,被测动态量频率越低，变化越慢，电压灵敏度偏离理想情况越严重，使传感器灵敏度下降，动态误差[=(