(a)电荷放大器电路qC

1任务五：压电传感器用于压力、应力及加速度的测量2一、压电效应二、压电材料三、压电式传感器的测量电路四、压电式传感器的应用3压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，在外力作用下,在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。概述4压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电警号压电加速度计5某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；一、压电效应这种现象称正压电效应6石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。7压电元件机械能电能压电效应是可逆的在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。•压电元件可以将机械能——转化成电能也可以将电能——转化成机械能。正压电效应逆压电效应89超声波传感器101、石英晶体的压电效应ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。11(b)(a)++---YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。12晶体沿X方向将产生收缩，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0即在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX0+++---P1P2P3(c)FX0正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，电偶极矩的矢量和等于零，即P1＋P2＋P3＝0（P1+P2+P3）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0即在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。结论：当晶体受到沿X（即电轴）方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。13当晶体在Y轴方向力FY作用时：当FY＞0时，晶体的形变与在X轴方向力FX＜0相似；当FY＜0时，则与在X轴方向力FX＞0相似。可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。如果沿Z轴方向上施加作用力FZ，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。表明：沿Z（即光轴）方向加作用力FZ晶体不产生压电效应。14晶体切片：从石英晶体上沿轴线切下的平行六面体薄片。当晶片受到沿X轴方向的压力FX作用时，晶体切片厚度t将产生变形，并在与X轴垂直的平面上产生电荷QXX，即ZYbl石英晶体切片tXXXXFdQ11++++－－－－(b)X++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX++++－－－－(a)FXXFX15压电效应结论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，则在此方向上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的。通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。161、种类：石英晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体：如硫化锌、碲化镉等；高分子压电材料：聚二氟乙烯等。2、对压电材料特性要求：①转换性能：要求具有较大压电常数；②机械性能：机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；③电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；④环境适应性强：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。二、压电材料172．压电陶瓷压电效应产生的机理压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具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，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。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18但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在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的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋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19如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，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，而出现放电荷现象。当压力撤消后，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，极化强度也变大，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。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）＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方向F－＋20同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，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，就是逆压电效应。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）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ21由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在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的释放或补充的结果。压电陶瓷外形22（一）石英晶体石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性好。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，压电特性完全失去，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能好。但价格昂贵，且压电系数低。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。23（二）压电陶瓷1、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。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（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、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，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（如铌、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。24（三）、压电半导体1968年出现了多种压电半导体材料，如硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉、碲化锌和砷化镓等。特点：既有压电特性，又有半导体性质，因此，可研制压电传感器，也可制作半导体电子器件，还可将二者结合，研制新型集成压电传感器。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，还可测温度等参数。（四）、高分子压电材料高分子压电薄膜：是某些高分子聚合物经延展和拉伸以及电场极化后具有压电性能的材料，如聚二氟乙烯优点：耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。高分子压电陶瓷薄膜：是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末制成的，这种复合材料保持了高分子压电陶瓷薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数。25（一）等效电路当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，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dSdSCra0当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为aaCqU三、压电式传感器的测量电路26压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。aQUCaSCd等效电容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电路27qCaUaUa＝q/Caq＝UaCaCa（a）电压等效电路（b）电荷等效电路压电传感器等效电路压电传感器的完整等效电路压电式传感器不适合于静态参数测量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28压电元件在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，如下图，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电元件的泄漏电阻Ra。A压电元件前置放大器测量电路压电传感器实际连接电路3、实际等效电路连接电缆29压电传感器的实际等效电路（a）电压源;（b）电荷源这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如图6-10所示。UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCa(a)(b)连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri,输入电容Ci以及压电元件的泄漏电阻Ra30可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013Ω以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则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，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。UaCaRaCcRiCiqRaCcRiCiCa(a)(b)31由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电