【2017年整理】第6章 压电式传感器.pptVIP

第6章 压电式传感器 Piezoelectric sensors 压电薄膜心音传感器 压电式传感器 压电式传感器是以某些具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。在外力作用下，传感器会产生一定量的输出电荷，从而实现力等非电量的测量 它广泛用于超声、雷达等仪器中 压电式传感器有两个特点： 它是自发电的，即无源的（不需要电源就可以工作） 它具有可逆性，存在压电效应，也存在逆压电效应 主要内容 工作原理：压电效应 压电方程和压电常数矩阵：定量描述压电效应 压电材料的特性，包括压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜 两种等效电路及测量电路 电压发生器和电压放大器 电荷发生器和电荷放大器 一、工作原理：压电效应 对某些电介质存在受力极化的现象，即：在一定方向上受到外力作用而变形时，会在一定方向的表面产生正负电荷分布，且电荷量的大小正比于作用力的大小，这种现象称为正压电效应 可见，压电效应中输入量为力F，输出量为电荷Q。但一般为了描述压电效应，将输入量设定为应力T，输出量设定为电荷密度 应力与电荷密度 力与应力：用F表示力，用T表示应力，即单位面积上的力： 电荷与电荷密度：用Q表示电荷，用 表示电荷密度，即单位面积上的电荷： 压电效应可以用下面的方程描述： 该方程称为压电方程，它描述了压电传感器输出（电荷密度）与输入（应力）之间的静态关系 d相当于灵敏度 施加的应力T是有方向的，为一个向量，产生的电荷分布 也是有方向的，也为一个向量 d是一个常数矩阵，称为压电常数矩阵 从能量角度看，压电效应实现机械能-电能的转换 补充：逆压电效应 具有压电效应的电介质，在某一方向上对其施加电场E时，在某个方向会产生正比于电场的形变S，这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效应。可用逆压电方程表示为： 称为逆压电常数矩阵 二、压电方程和压电常数矩阵 压电效应可用压电方程来定量描述，如下： d称为压电常数矩阵 不同的压电材料具有不同的压电常数矩阵 相同的压电材料，如果加工方式不同，也会有不同的压电常数矩阵 应力：如图所示，一共有6个方向 ：分别表示沿x,y,z方向上的应力（拉力为正，压力为负） ：分别表示绕x,y,z方向上的切应力（右旋为正，左旋为负） 电荷密度：一共有3个方向的电荷密度 ：分别表示垂直x,y,z轴的平面上的电荷密度（电荷产生的电场方向与轴方向相同为正，相反为负） 三个端面的面积： ：分别表示与x,y,z垂直的端面面积 因此有： 写为向量-矩阵形式的压电方程为： 压电常数矩阵举例 X0度切型的石英晶体压电常数矩阵： X0度切型的石英晶体的两种典型应用： 纵向压电效应：施加力 ，产生电荷 横向压电效应：施加力 ，产生电荷 压电陶瓷的典型切割： 钛酸钡压电陶瓷压电常数矩阵： 钛酸钡压电陶瓷的典型应用： 纵向压电效应：在z方向施加力 ，在z方向的面上产生电荷 从上述典型应用可以看到，一般都是在一个方向上施加力，在一个方向上获取电荷。因此，力与电荷关系为： d为压电常数 三、压电材料 把具有压电特性的电介质统称为压电材料。对于压电材料，需要考虑的特性参数有： 压电常数：衡量材料压电效应强弱的参数，代表着压电转换的灵敏度 弹性常数：决定着压电器件的固有频率和动态特性 介电常数：决定了压电器件的固有电容，固有电容影响着传感器的频率下限 机电耦合系数：输出电能与输入机械能之比的平方根，是衡量压电材料能量转换效率的重要系数 绝缘电阻：决定着材料的电荷泄漏情况，对传感器的低频特性有影响 压电材料主要有三大类： 压电晶体：单晶体，以石英晶体（SiO2）为代表 压电陶瓷：多晶体，如钛酸钡陶瓷（BaTiO3）、铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）等 新型压电材料：有机高分子压电材料，如聚偏二氟乙烯PVDF(PVF2)压电薄膜 3.1、压电晶体 石英晶体（天然，人工）： z轴称为光轴，也称中性轴，沿该方向施加力无压电效应 x轴称为电轴，沿该方向施加力，产生的压电效应最强 y轴称为机械轴，沿该方向施加电场，逆压电效应最强 石英晶体主要性能特点： 压电常数小，灵敏度不高，但是它的时间和温度稳定性极好 机械强度高，可以承受很大的应力 固有频率高，动态特性好 居里点573C，温度稳定性好 常用于精度和稳定性要求高的场合 3.2、压电陶瓷 压电陶瓷的极化处理： 压电陶瓷的微观结构：为多晶体，具有电畴结构，每个电畴自发极化，但方向杂乱，此时压电陶瓷不具有压电性 在一定温度下施加强直流电场，电畴极化方向趋向规则排列，使材料极化 当外电场撤去后，电畴方向基本保