第六章压电传感器要点分析.pptVIP

第六章 压电传感器与超声换能器 压电式传感器是一种有源（无需外加电源）的（发电型）双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英传感器 6.1 晶体的压电效应 6.1.1 晶体压电效应与压电材料 某些电介质当其在适当的方向上施加作用力时，内部会产生电极化状态的变化，同时在电介质的两端出现符号相反的、与外力成正比的束缚电荷，这种由外力作用而导致的电介质带电的现象，称为压电效应。具有压电效应的晶体称为压电晶体。压电效应是可逆的，即晶体在外电场的作用下要发生形变，这种效应称为反向（逆）压电效应。（电致伸缩效应） 晶体的压电效应可用下图来加以说明。 图 （a）是说明晶体具有压电效应的示意图。一些晶体当不受外力作用时,晶体的正负电荷中心相重合,单位体积中的电矩（即极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性，而在外力作用下晶体形变时，正负电荷的中心发生分离，这时单位体积的电矩不再等于零，晶体表现出极性。 图 （b）中，一些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压电效应。 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0（拉力）时,晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0（压力）时，则与图（a）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴，此轴上加力变形最显著）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 石英晶体是最早应用的压电材料,至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。随着压电传感器的大量应用，在石英之后研制出了许多人造晶体，如罗息盐、ADP、KDP、EDT、DKT和LH等压电单晶体。但由于它们的性能存在某些缺陷，后来随着人造压电石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高，这些人造单晶体已逐渐被取代了。 压电材料的种类： 压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅PZT等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 压电高分子聚合物，聚偏二氟乙烯PVDF等 （1）压电常数：压电常数 衡量材料压电效应强弱参数，直接关系压电输出灵敏度 （2）弹性常数：压电材料 弹性常数、 刚度决定着压电器件固有频率和动态特性 （3）介电常数：对于 定形状、尺寸压电元件其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器 频率下限 （4） 机械耦合系数： 压电效应其值等于转换输出能量（ 电能）与输入能量（ 机械能）之比平方根；衡量压电材料机电能量转换效率重要参数 （5）电阻：压电材料绝缘电阻：减少电荷泄漏从而改善压电传感器低频特性 （6）居里点：压电材料开始丧失压电特性温度称居里点 （四）压电半导体材料 压电半导体材料既有半导体特性，又有压电性能，如ZnO、CdS 、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。因此压电半导体材料既可以利用压电性能研制传感器，又可以利用半导体特性制成电子器件，也可以将两者结合起来研制集转换元件和电子电路与一体的新型集成压电传感器测试系统。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。 压电晶片的连接方式 1、 串联形式，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消。从图中可知，输出的总电荷q?等于单片电荷q，而输出电压U?为单片电压U的二倍，总电容C?为单片电容C的一半，即 1、 ω/ω0 =0时，输入(即压电元件的输出)为0 2、 ω/ω0 =1-3，输入随频率变化 3、如果ω/ω0 1，即作用力变化频率与测量回路时间常数的乘积远大于1时。前置放大器的输入电压Uim（即传感器的输出电压）与作用力频率无关。一般认为f≥3，可近似看作输入电压与作用力频率无关。这说明，在测量回路时间常数一定的条件下，压电式传感器具有相当好的高频响应特性。 4.低频截止频率: 电荷放大器的优缺点 采用电荷放大器时，电缆长度的影响可以忽略不计，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点,允许使用长电缆。 但与电压放大器相比，价格高，电路复杂，调整比较困难。 压电传感器的生物医学应用举例 心内导管微音器、血压计、医用超声换能器 解： 输出实际值： 例3. 已知