压电原理及材料...pptx

第五章第五章 压电传感器压电传感器压电现象是压电现象是100多年前居里兄弟研究石英多年前居里兄弟研究石英时发现的。时发现的。在在测测量量中中，被被测测动动态态力力和和动动态态压压力力通通过过压压电电传传感感器器变变化化转转换换为为电电荷荷量量的的变变化化，再再经经测测量量转转换换电电路路转转换换为为输输出出电电压压。压压电电传传感感器器是是属于自发电型传感器。属于自发电型传感器。2024/8/10 周六2在在完完全全黑黑暗暗的的环环境境中中，将将一一块块干干燥燥的的冰冰糖糖用用榔榔头头敲敲碎碎，可可以以看看到到冰冰糖糖在在破破碎碎的的一一瞬瞬间间，发发出出暗暗淡淡的的蓝蓝色色闪闪光光，这这是是强强电电场场放放电电所所产产生生的的闪闪光光，产产生生闪闪光光的的机机理理是是晶晶体体的的压压电电效效应。应。小小 实实 验验第一节第一节 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理压压电电式式传传感感器器是是一一种种自自发发电电式式传传感感器器。它它以以某某些些电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础，在在外外力力作作用用下下，在在电电介介质质表表面面产产生生电电荷荷，从从而而实实现现非非电电量量电电测测的的目的。目的。压压电电式式传传感感器器主主要要用用途途：压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，它它可可以以测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的非非电电物物理理量量，例例如如动动态态力力、动动态态压压力力、振振动动加加速速度度等等，但但不能用于静态参数（例如重量）的测量。不能用于静态参数（例如重量）的测量。2024/8/10 周六4u压电式传感器是一种典型的压电式传感器是一种典型的有源有源传感器传感器；u压压电电效效应应具具有有可可逆逆性性，也也是是一一种种典典型型的的“双双向向传传感器感器”；u压电式传感器的特点压电式传感器的特点:u工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。轻，工作可靠。u压电效应最贴近生活的应用：压电效应最贴近生活的应用：u燃气灶与打火机燃气灶与打火机一、压电效应一、压电效应天天然然结结构构的的石石英英晶晶体体呈呈六六角角形形晶晶柱柱，用用金金刚刚石石刀刀具具切切割割出出一一片片正正方方形形薄薄片片。当当晶晶体体薄薄片片受受到到压压力力时时，晶晶格格产产生生变变形形，表表面面产产生生正正电电荷荷，电电荷荷Q与与所所施施加加的的力力F成正比成正比，这种现象称为：，这种现象称为：“压电效应压电效应”。还有一些人造的材料也具有压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。若若在在电电介介质质的的极极化化方方向向上上施施加加交交变变电电压压，它它就就会会产产生生机机械械变变形形。当当去去掉掉外外加加电电场场时时，电电介介质质的的变变形形随随之消失，这种现象称为之消失，这种现象称为逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）。）。2024/8/10 周六6自自然然界界中中与与压压电电效效应应有有关关的的现现象象很很多多，例例如如在在敦敦煌煌的的鸣鸣沙沙丘丘上上，当当许许多多游游客客在在沙沙丘丘上上蹦蹦跳跳或或从从鸣鸣沙沙丘丘上上往往下下滑滑时时，可可以以听听到到雷雷鸣鸣般般的的隆隆隆隆声声。产产生生这这个个现现象象的的原原因因是是无无数数干干燥燥的的沙沙子子（SiO2晶晶体体）在在振振动动压压力力下下，表表面面产产生生电电荷荷，在在某某些些时时刻刻，恰恰好好形形成成电电压压串串联联，产产生生很很高高的的电电压压，并并通通过过空空气气放放电电而而发发出出声音。声音。与与此此相相反反，在在音音乐乐贺贺卡卡中中是是利利用用集集成成电电路路的的输输出出脉脉冲冲电电压压，来来激激励励压压电电片片，利利用用逆逆压压电电效效应应产产生生振振动而发声的。动而发声的。小小 知识知识清清代代诗诗人人苏苏履履吉吉赞赞颂颂鸣鸣沙沙的的“雷雷送送余余音音声声袅袅袅袅，风风生细响语喁喁生细响语喁喁”。石英晶体石英晶体的压电效的压电效应演示应演示当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，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力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。泄漏、消失。二、压电材料的分类及特性二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般压电传感器中的压电元件材料一般有三类：有三类：一类是一类是压电晶体压电晶体（如上述的石（如上述的石英晶体）；英晶体）；另一类是经过极化处理的另一类是经过极化处理的压压电陶瓷电陶瓷；第三类是；第三类是高分子压电材料高分子压电材料。（一）石英晶体（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形六角形晶柱六角形晶柱天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输从而产生稳定的振荡输出频率。出频率。晶振晶振2024/8/10 周六14n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。n定性分析：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，且三个电偶极矩的矢量和为0。2024/8/10 周六15u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式中，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=2.31*10-12C/Nqx-垂直于X轴的平面上的电荷Fx-沿X轴方向施加的作用力u晶体受到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；2024/8/10 周六16n由上述公式我们看到：n电荷qx的符号表示受压力还是受拉力n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n晶片电荷极性与受力关系n极间电压 qx=d11Fx2024/8/10 周六17n若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力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轴方向受力的压电系数，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轴方向施加的作用力L、a-晶体切片的长度、厚度2024/8/10 周六18n由上述公式我们看到：沿机械轴y方向作用力在晶体表面产生的电荷与晶体切片的尺寸有关；n沿y轴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是相反的。qy=d12(L/a)Fy2024/8/10 周六19n当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿x轴方向和y轴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（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的它比石英晶体的压电灵敏度高得多压电灵敏度高得多，而制造，而制造成本却较低成本却较低，因此目前国内外生产的压电元，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶。常用的压电陶瓷材料有瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）等）。2024/8/10 周六21压电陶瓷的极化过程压电陶瓷外形压电陶瓷外形无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制）（三）高分子压电材料（三）高分子压电材料典型的高分子压电材料有典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVF）、改性聚）、改性聚氯乙烯（氯乙烯（PVC）等。）等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可根据需要制成需要制成薄膜或电缆套管薄膜或电缆套管等形状。等形状。不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较成较大面积或较长的尺度；大面积或较长的尺度；价格便宜，频率响应范围较宽，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可测量动态范围可达达80dB。高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）（逆压电效应）2024/8/10 周六30压电材料的特性：压电材料的特性：n（1）压压电电系系数数：是是衡衡量量材材料料压压电电效效应应强强弱弱的的参参数数，与与压压电电输出灵敏度有关。输出灵敏度有关。n（2）弹弹性性常常数数：压压电电材材料料的的弹弹性性常常数数、刚刚度度决决定定着着压压电电元元件的固有频率和动态特性。件的固有频率和动态特性。n（3）介介电电常常数数：对对于于一一定定形形状状、尺尺寸寸的的压压电电元元件件，其其固固有有电电容容与与介介电电常常数数有有关关；而而固固有有电电容容又又影影响响着着压压电电传传感感器器的的频率下限。频率下限。n（4）机机械械耦耦合合系系数数：在在压压电电效效应应中中，转转换换输输出出能能量量与与输输入入能能量量之之比比的的平平方方根根，是是衡衡量量压压电电材材料料机机械械能能 电电能能转转换换效效率的一个重要参数。率的一个重要参数。n（5）电电阻阻：压压电电材材料料的的绝绝缘缘电电阻阻将将减减少少电电荷荷泄泄漏漏，从从而而改改善压电传感器的低频特性。善压电传感器的低频特性。n（6）居里点温度：是指压电材料丧失压电特性的温度。）居里点温度：是指压电材料丧失压电特性的温度。表5-22024/8/10 周六31压电晶片的连接方式n以压电效应为基础的压电传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。n在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。n压电晶片的连接方式多片压电材料的连接方式有串联和并联两种。第二节第二节 压电传感器的测量转换电路压电传感器的测量转换电路等效电路：等效电路：压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器；压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器；压电器件从性质上讲，是一个有源电容器。压电器件从性质上讲，是一个有源电容器。2024/8/10 周六33根据压电片的串并联，其等效电路为电压源和电荷源电压源电压源电荷源电荷源实际电荷源实际电荷源在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。2024/8/10 周六34u并联输出型压电元件可以等效为电荷源。并联输出型压电元件可以等效为电荷源。u压压电电效效应应产产生生的的电电荷荷量量很很小小，达达到到pA级级电电流流。因因此此在在接接成成电电荷荷输输出出型型测测量量电电路路时时，也也要要求求前前置置放放大大器器不不仅仅有有足足够够的的放放大大倍倍数数，而而且且还还需需要要有有极极高高的的输输入阻抗。入阻抗。2024/8/10 周六35电电荷荷源源测测量量电电路路（电电荷荷放放大大器器）2024/8/10 周六36压电传感器的测量转换电路压电传感器的测量转换电路电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电电荷荷放放大大器器能能将将压压电电传传感感器器输输出出的的电电荷荷转转换换为为电电压压（q/U转转换换器器），但但并并无无放放大大电电荷荷的的作作用，只是一种习惯叫法。用，只是一种习惯叫法。2024/8/10 周六37四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.2024/8/10 周六38上图所示的四通道电荷放大器指标上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）（参考东方振动和噪声技术研究所资料）灵灵敏敏度：度：0.11000mV/pC频率范围：频率范围：0.3100KHz噪声噪声(最大增益最大增益)：折合至输入端小于：折合至输入端小于5V准准确确度：度：1%最大输出：最大输出：10V/10mA电电源：源：220V/50Hz控制方式：控制方式：计算机或手动计算机或手动焊接式焊接式电荷放大器电荷放大器2024/8/10 周六39超小型电荷放大器模块超小型电荷放大器模块主要指标主要指标:灵灵敏敏度：度：1、10、100mV/pC(任选一档任选一档)频率范围：频率范围：0.3100KHz(上、下限可选上、下限可选)噪声噪声(最大灵敏度最大灵敏度)：输出端小于：输出端小于1mV归归一一化：外接电阻调整化：外接电阻调整线性误差：线性误差：1%最大输出：最大输出：5V或或10V电电源：源：6V15V特点：可组成经济的多点测试系统特点：可组成经济的多点测试系统2024/8/10 周六40其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器2024/8/10 周六41其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）多通道电荷放大器外形多通道电荷放大器外形