2.4压电式传感器（课件）《传感器检测技术》同步教学课件（机械工业出版社）

2.4压电式传感器 压电式传感器 压电式传感器的工作原理是以某些晶体材料的压电效应为基础，在外力作用下，在晶体材料的表面上能产生电荷，从而实现非电量转换和测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有许多优点：体积小、结构简单，固有频率高、响应频带宽、灵敏度和信噪比高。近年由于电子技术的发展，与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。 缺点：一般无静态输出，要求测量电路有高输出阻抗、电缆电容要低等，工作温度较低<250℃。 压电效应与压电材料 正压电效应----某些晶体（压电材料）（如石英sio2，钛酸钡等），在受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场，当外力去掉，表面又恢复到原来状态的现象。具有这种性质的材料称为压电材料。 逆压电效应 机械能 正压电效应 电能 逆压电效应（电致伸缩效应）---若把压电材料放置在电场中，则在一定方向上其几何尺寸发生变形；当外电场撤去，该电场随之消失。这种现象称为逆压电效应。 所以说压电传感器是一种可逆型换能器。机械能←→电能。 自然界大多数晶体材料都具有压电效应，作为敏感材料，主要考虑以下性能：压电常数d大；机械强度、刚度高；高电阻率和大介电系数；具有较高的居里点（压电效应不明显时的温度）；对时间稳定性好，等。 目前有四类可供选择的压电材料： ①单晶体（压电单晶体） ②多晶体（压电陶瓷） ③压电半导体材料 ④有机高分子压电材料 Z X Y (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 　　石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中： Ｙ轴--机械轴。在电场中，沿该轴机械变形最明显； Ｘ轴--称为电轴，垂直此轴的面上，压电效应最强； Ｚ轴--中性轴，该方向无压电效应，用光学方法确定该轴，故称为光轴。　　 图5.26 石英晶体的切片 　　通常把沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。 晶体的许多特性取决于晶体的方向。为了利用石英晶体的压电效应，需将晶体沿一定方向切割成晶片。方法很多，常用的是X切和Y切。 X切 Y切 石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。 a) b) c) d) 图5.27 晶片受力方向与电荷极性的关系 Ｘ切：厚度边//X轴，长度边//Y轴，宽度边//Z轴。 Ｙ切：厚度边//Y轴，长度边//X轴，宽度边//Z轴。 多晶体（压电陶瓷） 压电陶瓷属于铁电体物质，是人工制造的多晶压电材料。将原料粉碎、碾磨和成型，在1000℃以上烧结而成。它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。 (a)极化处理前 (b)极化处理中 (c)极化处理后 剩余极化强度 直流电场E 剩余伸长 电场作用下的伸长 机械能与电能转换关系用压电方程来描述。压电方程。有多种形式，常用的形式为： 　　　　 　 Ｑ＝d F (5.19) 式中：F--压电元件所受外力； Q----相应表面产生的电荷。 d--压电系数（与压电材料、切面方向有关） 此式的物理表现为：当压电元件受到外力F作用时，在相应的表面会产生电荷。 工作原理 沿一定的方向，将压电晶体切成一定尺寸的长方体，表面再镀上金属膜，如图5.28，这便形成了常用压电式传感器的敏感元件--压电晶片。 当压电晶片受到压力的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。 式中：h—压电片厚度； S —极板面积； ε—相对介质介电常数； ε0 —真空中的介电常数，其值为8.85×10-12 F/m； εr —压电材料的相对介电常数，随材料不同而变。 其电容量Ｃa为: 　　这样，可把压电晶片等效成一个与电容相并联的电荷源，图5.29a，也可以等效为一个电压源，Ua=Q/C