最新压电式传感器07电子工艺幻灯片.ppt

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1、一.压电式传感器 是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。是一种典型的有源传感器量测量。是一种典型的有源传感器 *特点特点: 工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。重量轻，工作可靠。 *应用范围：应用范围： 各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。学、超声、通信、宇航等领域。 二二.压电效应压电效应 正压电效应：正压电效应：当压电材料受到

2、一定方向当压电材料受到一定方向作用力时而发生机械变形，相应的在一作用力时而发生机械变形，相应的在一定表面上产生电荷，电荷量定表面上产生电荷，电荷量Q与所施加与所施加的力的力F成正比成正比 ，这种现象称为压电效应，这种现象称为压电效应 。（压电式传感器）（压电式传感器） 逆压电效应：当压电材料处于变化的电逆压电效应：当压电材料处于变化的电场中时，压电材料的体积将产生伸长或场中时，压电材料的体积将产生伸长或缩短的变化，称作逆压电效应缩短的变化，称作逆压电效应 (压电式压电式喇叭）喇叭）压电效应演示压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出

3、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。荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。2.1、常用的压电材料及压电材料的压电效应、常用的压电材料及压电材料的压电效应 压电材料压电材料压电陶瓷：钛酸钡、锆钛压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅酸铅天然：石英晶体天然：石英晶体人造压人造压电材料：电材料：高分子压电材料高分子压电材料:聚偏二聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯、改氟乙烯、聚氟乙烯、改性聚氯乙烯等性聚氯乙烯等天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）天

4、然形成的石英晶体外形（续） 二二.压电效应压电效应2.2石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体ZXY(a)(b)石英晶体石英晶体(a)理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 (b)坐标系坐标系ZYX在晶体学中它可用三在晶体学中它可用三根互相垂直的轴表示，根互相垂直的轴表示，Z轴称为轴称为光轴光轴；X轴称为轴称为电轴电轴；Y轴称为轴称为机械轴机械轴。纵向压电效应纵向压电效应 ：X轴轴横向压电效应横向压电效应 ：Y轴轴沿光轴沿光轴ZZ方向受力方向受力则不产生压电效应。则不产生压电效应。石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石

5、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2.2石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应n（1）.定性分析定性分析图图3-13垂直垂直x轴的石英切片及其压电效应轴的石英切片及其压电效应 从晶体上沿轴线切下的薄片称为从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片晶体切片”。图图3-13所示是垂直于电轴切割的石英片，在与所示是垂直于电轴切割的石英片，在与轴垂直的两面覆以金属。轴垂直的两面覆以金属。 沿方向施加作用力沿方向施加作用力x时，在与电轴时，在与电轴X垂直的垂直的表面上产生电荷表面上产生电荷xx为：为： XXXFdQ11 式中式中d11石英晶体的纵向压电系数石英晶体的纵向压电系数 在覆以金属极面

6、间产生的电压为：在覆以金属极面间产生的电压为：XXXXXXXCFdCQu11 定量计算：定量计算： 如果在同一切片上，沿机械轴如果在同一切片上，沿机械轴Y方向施加作用力方向施加作用力Fy时，时，则在与则在与X轴垂直的平面上产生电荷为：轴垂直的平面上产生电荷为：YXYFbadQ12yxy12SSFd 式中式中 d12石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴石英晶体的横向压电系数。根据石英晶体的轴对称条件可得对称条件可得d12=-d11,所以所以 YXYFbadQ11 产生电压为：产生电压为： xYxXYXYCFbadCQu11 2.3 2.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷属于铁

7、电体一类的物质，是人工制造的多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。晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。直流电场直流电场E剩余极化强度剩余极化强度剩余伸长剩余伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前极化处理前(b)极化处理中极化处理中(c)极化处理后极化处理后 经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较数，约为石英晶体的几百倍，但机械强度较石英晶体差。石英晶体差。 aZ向施力；向施力；bX向施力向施力 图图3-14 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷

8、的压电效应 2.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应则在两个镀银（或金）的极化面则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量上分别出现正负电荷，电荷量Qzz与力与力Fz成比例，即成比例，即 :ZZZZZFdQ 式中式中 dzz压电陶瓷的纵向压电系数。压电陶瓷的纵向压电系数。输出电压为输出电压为: ZZZZZZFCdu 2.3 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应当沿当沿X轴方向施加作用力轴方向施加作用力Fx时，时，如图所示，在镀银极化面上产生如图所示，在镀银极化面上产生电荷电荷Qzx为为: XXZZZXFSSdQ1 同理 YYZZZYFSSdQ2 2.3 压电陶瓷的压电效应压电陶

9、瓷的压电效应式中的式中的dz1、dz2是压电陶瓷在横向力作用是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值；时的压电系数，且均为负值； 且且dz1=dz2电荷除以压电陶瓷片电容电荷除以压电陶瓷片电容Cz可得电压输出。可得电压输出。三、压电元件的等效电路三、压电元件的等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，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把压电传感器看成一个电荷发生器即电荷源电荷发生器即电荷源 电荷源等效电路：电荷源等效电路：可等效为一个电荷源

10、可等效为一个电荷源q和一个电容器和一个电容器Ca的的并联并联电路，如图（电路，如图（a） 电压源等效电路电压源等效电路：压电传感器也可等效为电压源：压电传感器也可等效为电压源Ua和一和一个电容器个电容器Ca的的串联串联电路，如图电路，如图(b)；qq UaCaCa（a）电荷源等效电路）电荷源等效电路CaUaUaq/ Ca（b）电压源等效电路）电压源等效电路如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时如果用导线将压电传感器和测量仪器连接时,则应考虑则应考虑连线的等效电容连线的等效电容,前置放大器的输入电阻、输入电容。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压电传感

11、器的完整等效电路Ca传感器的固有电容传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻三、压电元件的三、压电元件的等效电路等效电路实际等效电路实际等效电路补充：电容的串并联补充：电容的串并联 以两个电容串并联为例，考察串并联后，总以两个电容串并联为例，考察串并联后，总的电容容抗、总电压、总电荷容量的电容容抗、总电压、总电荷容量总容抗：总容抗：C=C1+C2总电量：总电量：Q=Q1+Q2总电压：总电压：U=U1=U2并联：并联：串联：串联：总容抗：总容抗：总电量：总电量：Q=Q1=Q2总电压：

12、总电压：U=U1+U221C1C1C1因此为了增大输出，在使用过程中压电元件因此为了增大输出，在使用过程中压电元件通常用多个元件串联或者是并联使用。通常用多个元件串联或者是并联使用。三、压电元件的三、压电元件的等效电路等效电路思考：压电晶体是否适合于静态测量。为什么？思考：压电晶体是否适合于静态测量。为什么？当传感器内部信号电荷无当传感器内部信号电荷无“漏损漏损”，外电路负载无穷大时，压电传，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常数

13、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电荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。四、四、 压电传感器测量电路压电传感器测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大它的测量电路通常需要接入一

14、个高输入阻抗的前置放大器器。 压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：u把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；把压电式传感器的高输出阻抗变换成低阻抗输出；u放大压电式传感器输出的弱信号。放大压电式传感器输出的弱信号。 前置放大器形式：前置放大器形式：u电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；电压）成正比；u电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。，其输出电压与输入电荷成正比。四四.压电传感器测量电路压电传感器测量电路 (a)放大器电路；放大器电路； (b)输入端简化等效电路输入端简

15、化等效电路 图图3-18 电压放大器电路原理及其等效电路图电压放大器电路原理及其等效电路图 电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）注意：电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电注意：电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。习惯叫法。四四.压电传感器测量电路压电传感器测量电路电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器。考虑到考虑到Ra、Ri阻值极大，等效电路如图所示。阻值极大，等效电路如图所示。电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的有关，电缆长度等因素的影响很小：影响很小：of 6-4QuC 总结 1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件的等效电路 4压电式传感器的测量电路 预习：电容式传感器31 结束语结束语