【教学课件】第一节压电效应及压电材料.ppt

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1、第6章 压电式传感器 第一节第一节 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 第二节第二节 压电传感器的等效电路及测量电路压电传感器的等效电路及测量电路第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用第六章第六章 压电式传感器压电式传感器 第6章 压电式传感器 第一节第一节 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 一、压电效应一、压电效应顺顺压压电电效效应应：某某些些电电介介质质，当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时，内内部部就就产产生生极极化化现现象象，同同时时在在它它的的一一定定表表面面上上便便产产生生符符号号相相反反的的电电荷荷，当当外外力力去去掉掉后后，又又重重

2、新新恢恢复到不带电状态。这种现象称压电效应。复到不带电状态。这种现象称压电效应。逆逆压压电电效效应应（电电致致伸伸缩缩效效应应）：当当在在电电介介质质的的极极化化方方向向施施加加电电场场，这这些些电电介介质质就就在在一一定定方方向向上上产产生生机机械械变变形形或或机机械械压压力力，当当外外加加电电场场撤撤去去时时，这这些些变变形形或或应应力力也随之消失的现象。也随之消失的现象。第6章 压电式传感器 电能电能机械能机械能顺压电效应顺压电效应逆压电效应逆压电效应第6章 压电式传感器 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数有：压电常数弹性常数介电常数二、压电材料二、压电材

3、料压压电电常常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，它它直直接接关关系系到到压压电电输输出出灵灵敏度。敏度。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器器件件的的固有频率和动态特性。固有频率和动态特性。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频率率下下限。限。机械耦合系数转转换换输输出出能能量量（如如电电能能）与与输输入入的的能能量量（如如机机械械能能）之之比比的的平平方方根根，这这是是衡衡量量压压电电材材料料机机电电能

4、能量量转转换换效效率率的的一个重要参数。一个重要参数。电阻 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，从从而而改改善善压压电电传传感感器器的低频特性。的低频特性。居里点温度它它是是指指压压电电材材料料开开始始丧丧失失压压电电特特性的温度。性的温度。第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器（一）（一）石英晶体石英晶体（SiO2）在在20200范范围围内内，温温度度每每升升高高1，压压电电系系数数仅仅减减少少0.016。但但是是当当到到573时时，它它完完全全失失去去了了压压电电特特性性，这就是它的这就是它的居里点居里点。石英在高温下石英在高温下相对介电常数相对介电常数的

5、温度特性的温度特性石英的石英的d11系数系数相对于相对于20的的d11温度变化温度变化特性特性1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t6543210100 200 300400 500 600t/相相对对介介电电常常数数居里点第6章 压电式传感器（二）压电陶瓷（二）压电陶瓷 1 1、钛酸钡压电陶瓷、钛酸钡压电陶瓷 介电常数、压电系数大介电常数、压电系数大（约为石英晶体的（约为石英晶体的50倍）；倍）；居居里里温温度度低低（120），温温度度稳稳定定性性和和机机械械强强度度不不如如石英晶体。石

6、英晶体。2 2、锆钛酸铅系压电陶瓷（、锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）比比钛钛酸酸钡钡压压电电系系数数更更大大，居居里里温温度度在在300300以以上上，各各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此此外外，在在锆锆钛钛酸酸中中添添加加一一种种或或两两种种其其它它微微量量元元素素（如如铌铌、锑锑、锡锡、锰锰、钨钨等等）还还可可以以获获得得不不同同性性能能的的PZTPZT材材料料。因因此此锆锆钛钛酸酸铅铅系系压压电电陶陶瓷瓷是是目目前前压压电电式式传传感感器器中中应应用用最最广泛的压电材料。广泛的压电材料。=BaCO3+TiO2=PbTiOPbTiO3 3+

7、PbZrO+PbZrO3 3第6章 压电式传感器 三、石英晶体（三、石英晶体（SiOSiO2）的压电效应的压电效应ZXYZYX纵向轴纵向轴ZZ称为称为光轴光轴经经过过正正六六面面体体棱棱线线，并并垂垂直直于于光光轴轴的的XX轴称为轴称为电轴电轴与与XX轴轴和和ZZ轴轴同同时时垂垂直直的的YY轴轴（垂垂直直于于正正六六面面体体的的棱棱面面）称称为为机械轴机械轴第6章 压电式传感器 1 1、石英晶体产生压电效应原因、石英晶体产生压电效应原因YXXY+-+第6章 压电式传感器 当当作作用用力力F F=0=0时时，正正、负负离离子子（即即SiSi4+4+和和2O2O2-2-）正正好好分分布布在在正正六

8、六边边形形顶顶角角上上，形形成成三三个个互互成成120120夹夹角角的的电电偶偶极极矩矩P P1 1、P P2 2、P P3 3，此此时时正正负负电电荷荷中中心心重重合合，电电偶偶极极矩矩的的矢矢量和等于零，即量和等于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 Y Y+-X XP P1 1P P2 2P P3 3第6章 压电式传感器 当当晶晶体体受受到到沿沿X X方方向向的的压压力力（F FX X000（P P1 1+P P2 2+P P3 3）Y Y=0 =0 （P P1 1+P P2 2+P P3 3）Z Z=0=0+X XY Y+-P P1 1P P2 2P P3 3F FX X

9、F FX X在在X轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。轴方向则不出现电荷。第6章 压电式传感器（P1+P2+P3）X00X轴的正向轴的正向:正电荷正电荷Y、Z轴方向无电荷轴方向无电荷+XY+-P1P2P3FYFY与沿与沿X X方向施压力（方向施压力（F FX X00）作用相同）作用相同第6章 压电式传感器 F FY Y 0 0(P P1 1+P P2 2+P P3 3)X X 0 0X轴的正向：负电荷轴的正向：负电荷Y、Z轴方向无电荷轴方向无电荷Y+-X-P2P3P1+FYFY与沿与沿X X方向施拉力（方向施拉力（F FX X 0）作用相同）作用相同 这这种种

10、沿沿Y轴轴施施加加力力，而而在在垂垂直直于于X轴轴晶晶面面上上产产生生电电荷荷的现象即为的现象即为横向压电效应横向压电效应。第6章 压电式传感器 2 2、纵向压电效应、纵向压电效应式中,d11为x方向受力的压电系数 d11=2.3110-12C/NFX为作用力FXFX+XX第6章 压电式传感器 3 3、横向压电效应、横向压电效应式中：d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，有d12=-d11；+FYXFYX第6章 压电式传感器 四、陶瓷的压电效应四、陶瓷的压电效应无外电场作用时无外电场作用时施加外电场时外电场去掉后第6章 压电式传感器 自由电荷束缚电荷电极电极 极化方向无外力作用时

11、电压表不能测出陶瓷片内的极化程度无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度第6章 压电式传感器 这这种种由由机机械械效效应应转转变变为为电电效效应应，或或者者由由机机械械能能转转变变为为电电能的现象，就是能的现象，就是正压电效应正压电效应。F 极化方向d33:压电陶瓷的压电系数压电陶瓷的压电系数F：作用力作用力 第6章 压电式传感器 在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场，由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大。陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离

12、也也增增大大，陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生伸伸长长形形变变（图图中中虚虚线线）。同同理理，如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极极化化方方向向产产生生缩缩短短形形变变。这这种种由由于于电电效效应应而而转转变变为为机机械械效效应应或或者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应者由电能转变为机械能的现象，就是逆压电效应。极 化方向电场方向第6章 压电式传感器 第二节第二节 压电传感器的等效电路及测量电路压电传感器的等效电路及测量电路一、压电晶片的连接方式一、压电晶片的连接方式1 1、并联连接、并联连接+-+-并联接法输出电荷大，本身电容

13、大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。第6章 压电式传感器 2 2、串联连接、串联连接+-+-+串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。第6章 压电式传感器 压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如图所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。(a)厚度变形(b)长度变形(c)体积变形(d)面切变形(e)剪切变形第6章 压电式传感器 二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路 q电极电极压电晶体压电晶体qCe静电发生器静电发

14、生器电容器电容器第6章 压电式传感器 因因此此，压压电电传传感感器器可可等等效效为为电电压压源源Ua和和一一个个电电容容器器Ce的的串串联联电电路路，如如图图(a)；也也可可等等效效为为一一个个电电荷荷源源q和和一一个个电电容器容器Ce的的并联并联电路，如图电路，如图(b)。（a）电压等效电路CeUq/Ceq UCeCe（b）电荷等效电路第6章 压电式传感器 Cc：连接电缆等效电容连接电缆等效电容 Ri：放大器输入电阻放大器输入电阻Ci：输入电容输入电容 Rd：压电传感器泄漏电阻压电传感器泄漏电阻第6章 压电式传感器 三、三、压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路1 1、电压放大器、电压放大

15、器作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信号。第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 p117页图6-10所示，当作用于压电元件的力为静态力（=0）时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。压电传感器不能用于静态力的测量。时，前置放大器的输出电压随频率变化不大。即说明压电传感器的高频响应比较好，所以用于高用于高频交变力的测量。频交变力的测量。第6章 压电式传感器 2 2、电荷放大器、电荷放大器第6章 压电式传感器 第三节第三节 压电传感器的应用压电传感器的应用一、一、压电力学传感器

16、压电力学传感器+-力Fx第6章 压电式传感器 单单向向测测力力传传感感器器的的结结构构图图 传传感感器器上上盖盖为为传传力力元元件件，它它的的外外缘缘壁壁厚厚为为0.10.5mm，当当外外力力作作用用时时，它它将将产产生生弹弹性性变变形形，将将力力传传递递到到石石英英晶晶片片上上。石石英英晶晶片片采采用用xy切切型型，利利用用其其纵纵向向压压电电效效应应，通通过过d11实实现现力力电电转转换换。石石英英晶晶片片的的尺尺寸寸为为81mm。该该传传感感器器的的测测力力范范围围为为050N，最最小小分辨率为分辨率为0.01 N，固有频率为，固有频率为5060 kHz，整个传感器重，整个传感器重10

17、g。第6章 压电式传感器 压电式金属加工切削力测量压电式金属加工切削力测量图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高，特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方，当进行切削加工时，切削力通过刀具传给压电传感器，压电传感器将切削力转换为电信号输出，记录下电信号的变化便可测得切削力的变化。第6章 压电式传感器 二、二、压电加速度传感器压电加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。第6章 压电式传感器 三、压电式玻璃破碎报警器三、压电式玻璃破碎报警器BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破

18、碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形及内部电路如图所示。传感器的最小输出电压为100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为1520k。第6章 压电式传感器 使用时传感器用胶粘贴在玻璃上，然后通过电缆和报警电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈

19、值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其它商品柜台保管等场合。第6章 压电式传感器 利利用用超超声声波波在在顺顺流流方方向向和和逆逆流流方方向向的的传传播播速速度度进进行行测测量量。其其测测量量装装置置是是在在管管外外设设置置两两个个相相隔隔一一定定距距离离的的收收发发两两用用压压电电超超声声换换能能器器，每每隔隔一一段段时时间间(如如1/100s)，发发射射和和接接收收互互换换一一次次。在在顺顺流流和和逆逆流流的的情情况况下下，发发射射和和接接收收的的相相位位差差与与流流速速成成正正比比。据据这这个个关关系系，可可精确测定流速。流速与管

20、道横截面积的乘积等于流量。精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。流量显示1789输出信号换能器换能器接收接收发射发射此此流流量量计计可可测测量量各各种种液液体体的的流流速速，中中压压和和低低压压气气体体的的流流速速，不不受受该该流流体体的的导导电电率率、粘粘度度、密密度度、腐腐蚀蚀性性以以及及成成分分的的影影响响。其其准准确确度度可可达达0.5%，有的可达到有的可达到0.01%。根据发射和接收的相位差随海洋深度深根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况度的变化，测量声速随深度的分布情况四、四、压电式流量计压电式流量计第6章 压电式传感器 是一种高性能、低成

21、本动态微压传感器，产品采用压电薄膜作为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。脉搏计照片典型应用：脉搏计数探测按键键盘，触摸键盘振动、冲击、碰撞报警振动加速度测量管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等五、集成压电式传感器五、集成压电式传感器第6章 压电式传感器 力敏元件主要性能指标：力敏元件主要性能指标：压力范围压力范围 1kPa灵敏度灵敏度 0.2V/P非线性度非线性度 1 F.S频率响应频率响应 11000Hz标

22、准工作电压标准工作电压 4.5V（DC）扩充工作电压扩充工作电压 315V(DC)标准负载电阻标准负载电阻 2.2k扩充电阻扩充电阻 1k12k外形尺寸外形尺寸 12.77.6重重 量量 1.5集成压电传感器连线电路集成压电传感器连线电路输出力敏元件地线R=2.2k 电源集成压电传感器连线电路OO第6章 压电式传感器 六、压电式传感器在自来水管道测漏中的应用六、压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，振动声音从点为漏点，振动声音从O点向管道两端传播，传播速度为点向管道两端传播，传播速度为V，在管道上，在管道上A、B两点放两

23、只传两点放两只传感器，感器，A、B距离为距离为L（已知或可测），从（已知或可测），从A、B两个传感器接收两个传感器接收的由的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间为时刻发出的振动信号所用时间为tA（=LA/V）和）和tB（=LB/V），两者时间差为），两者时间差为 t=tA-tB=（LA-LB）/V （1）又又 L=LA+LB （2）LABO点LALB地面 1、检测原理、检测原理第6章 压电式传感器 因因为为管管道道埋埋设设在在地地下下，看看不不到到O点点，也也不不知知道道LA和和LB的的长长度度，已已知的是知的是L和和V，如果能设法求出，如果能设法求出t，则联立（，则联立（1）+

24、（2）得：）得：LA=(L+tV)/2 （3）或者将（或者将（1）-（2）得：）得：LB=（L-tV）/2 （4）关关键键是是确确定定t，就就可可准准确确确确定定漏漏点点O。如如果果从从O点点出出发发的的是是一一极极短短暂暂的的脉脉冲冲，在在A、B两两点点用用双双线线扫扫描描同同时时开开始始记记录录，在在示示波波器器上上两两脉脉冲冲到到达达的的时时间间差差就就是是t。实实际际的的困困难难在在于于漏漏水水声声是是连连续续不不断断发发出出的的，在在A、B两两传传感感器器测测得得的的是是一一片片连连续续不不断断，幅幅度度杂杂乱乱变变化化的的噪噪声声。相相关关检检漏漏仪仪的的功功能能就就是是要要将将这这两两路路表表面面杂杂乱乱无无章章的的信信号号找找出出规规律律来来，把把它它们们“对对齐齐”，对对齐齐移移动动所所需需要要的的时时间间就就是是t。第6章 压电式传感器 2 2、水漏探测仪设计、水漏探测仪设计 前前 放放带通带通滤波滤波放放 大大低通低通滤波滤波传感器传感器B发发 送送前前 放放带通带通滤波滤波放放 大大低通低通滤波滤波传感器传感器A主主 机机接接 收收管管 道道