传感检测技术及其应用第7章概览.ppt

第7章 压电式传感器 * * 传感检测技术及其应用第二篇 典型传感器的原理及其应用技术 1.掌握压电式传感器的工作原理；? 2.了解压电式传感器的等效电路； 3.了解压电式传感器的测量电路； 4.理解压电式传感器的应用。 压电式传感器是一种可逆型换能器，它既 可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化 为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压 电效应。 第1节 压电效应及压电材料 压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。 某些晶体在外力作用下，不仅产生形变，而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷，形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平衡状态，这种现象称为压电效应。 一、压电效应 与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外力作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。 二、压电材料 具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。 压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大 ；高电阻率和介电系数；稳定性好。 光轴：z轴，与晶体纵轴方向一致。光线沿z轴方向通过晶体不发生双折射。沿光轴的作用力不产生压电效应，故又称为中性轴。 电轴：x轴，通过两个相对的六角棱线并垂直于光轴的轴线。垂直于此轴的晶面上有最强的压电效应。 1.石英晶体：中间为六角形棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。 机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。 在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英 晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。 纵向压电效应：沿x轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为： Qx=dx?Fx 式中 dx－纵向压电常数； Fx－作用力。 横向压电效应：沿y轴施加作用力，晶体表面产生电荷的现象。电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为 式中dy－横向压电常数；Fy－作用力； sx、sy －分别为与x轴、y轴相垂直的表面面积；a －x轴向厚度；b －y轴向长度。 由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷量与晶体尺寸有关。 根据石英晶体轴对称的条件，dy=?dx，从而： 即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。 切向压电效应：沿x轴或y轴施加剪切力，晶体表面产生电荷的现象。沿x轴的剪切力产生的电荷出现在与y轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶片尺寸无关）；沿y轴的剪切力产生的电荷出现在与x轴垂直的表面上。 天然或人工合成石英晶体（SiO2），具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小（dx =2.3?10-12C/N），但压电系数的温度稳定性好。在20～200?C内，温度每升高1?C，压电系数仅减小0.016%，升高到200?C 时，仅减小5%，达到573?C 时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。 其它压电晶体有铌酸锂（LiNbO3），居里点1210?C， 具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆， 抗冲击性差。 钽酸锂（LiTaO3），居里点666?C，压电常数为石 英的3倍。 酒石酸钾钠（NaKC4H4O6?4H2O），压电系数较大 （dx=3?10-9 C/N ），但机械强度低，机械强度、电 阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。 2.多晶压电陶瓷 （压电陶瓷） 由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压电元件，大多采用压电陶瓷。 ① 钛酸钡（BaTiO3） 由碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2 按1 ：1摩尔比混合烧结而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高(1200)，居里点约120?C。 ②锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷 居里点300?C左右，压电常数70～800?10-12C/N，性能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、高压。 3.高分子有机压电材料 聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。用于微压和机器人触觉。 4.压电半导体 具有压电和半导体两种特性，易于集成。 第2节 压电式传感器的测量电路 金属膜 F F ? a) 压电晶片 b) 等效电荷源 c) 等效电压源 Ca Ra Q Ca Ra ua 压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电荷和电容为： 电容两极板间开路电压为： 等效电路中电流 一、压电元件的等效电路