2.6压电式检测元件剖析.ppt

2.检测技术与检测元件 基本要求 力敏感传感器，可测如力、压力、加速度等 双向传感器 体积小、重量轻 结构简单、工作可靠 频响宽 最常用的压电材料是石英晶体和压电陶瓷 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。 1、顺压电效应：一些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应或正压电效应，又称为压电效应。 2、逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称逆压电效应,又称为电致伸缩效应。 天然形成的石英晶体外形（续） (2)石英晶体的三个晶轴 光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。 机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 当晶片在沿X轴的方向上受到压缩应力sxx的作用时，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，极化强度Pxx与应力sxx 成正比，即 压电效应 例１：有一个石英晶体，其面积Ｓ＝３ｃｍ２，厚度ｔ＝0.3mm，压电系数d11=2.31*10-12C/N。求沿X轴方向受到压力p=10MPa作用时产生的电荷q及输出电压U。已知 4.压电材料 常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷、高分子材料 最典型的压电晶体是石英晶体 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料 ②加电场：压电陶瓷极化处理 　　　压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即作用力沿极化方向），则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其电荷量q与力F成正比，比例系数为 d33，亦即 　极化压电陶瓷的平面是各向同性的，对于压电常数，可用等式 d32=d31表示，它表明平行于极化轴（Z轴）的电场，与沿着Y轴（下标2）或X轴（下标１）的轴向应力的作用关系是相同的。极化压电陶瓷受到均匀分布的作用力F时，在镀银的极化面上，分别出现正、负电荷q。 　式中 Ax——极化面的面积； 　 Ay——受力面的面积。 2.6.2压电式检测元件的等效电路及连接方式 　 （1）等效电路 压电晶体承受被测机械力作用时，在它的两个极板面上出现极性相反但电量相等的电荷。显然可以把压电元件看成一个电荷源（静电发生器）；也可以把它视为一个极板上聚集正电荷，一个极板上聚集负电荷，中间为绝缘体的电容，如图所示。其电容量为 　当两极板聚集异性电荷时，则两极板就呈现出一定的电压，其大小为 传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器受力后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，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。 　补充：压电传感器测量电路 　压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。 　测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大器，前置放大器作用： 放大传感器输出的微弱信号 把压电式传感器的高阻抗输入变换成低阻抗输出 　 根据压电元件的工作原理，前置放大器有两种形式： 电压放大器，其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，其输出电压与输入电荷成正比。 1、电压放大器 电压放大器的等效电路如图所示，其中等效电阻R为 等效电容 C分别为 如果压电元件受到交变力的作用，f为： 式中 Fm——作用力的幅值。 若压电元件所用压电材料为压电陶瓷，其压电系数为d33，则在外力 作用下，压电元件产生的电压均按正弦规律变化，即 或 式中 Um——电压幅值 若将放大器输入端的电压ui写成复数形式，则可得 令 为测量回路时间常数，令 ，则 若w→0（静态），即作用在压电元件上的力为静态力，则前置放大器的输入Uim为零。 原因：由于等效电阻不可能无穷大，电荷就会通过电压放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。所以