传感器第六章压电式+压磁式.

第6章压电式与压磁式传感器第一部分压电式传感器第一节压电效应及压电材料第二节压电传感器的等效电路及测量电路第三节压电传感器的应用第二部分压磁式传感器第一节压磁效应与压磁元件第二节压磁传感器工作原理及其结构第三节压磁传感器的应用第6章压电式与压磁式传感器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号第6章压电式与压磁式传感器压电式传感器的原理：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，从而实现非电量测量。特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。应用领域：压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等领域得到了广泛的应用。第6章压电式与压磁式传感器第一节压电效应及压电材料一、压电效应二、石英晶体（SiO2）的压电效应三、陶瓷的压电效应四、压电材料第6章压电式与压磁式传感器第6章压电式与压磁式传感器一、压电效应顺（正）压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为正压电效应或顺压电效应。返回第6章压电式与压磁式传感器F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－第6章压电式与压磁式传感器逆压电效应（电致伸缩效应）当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种将电能转变为机械能的现象。正压电效应电能机械能逆压电效应压电元件返回第6章压电式与压磁式传感器二、石英晶体（SiO2）的压电效应ZXY纵向轴Z－Z称为光轴经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴第6章压电式与压磁式传感器(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片石英坐标zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)第6章压电式与压磁式传感器1、石英晶体产生压电效应原理“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。第6章压电式与压磁式传感器F=0时正、负离子在正六边形顶角P1、P2、P3互成120º夹角正负电荷中心重合电偶极矩的矢量和等于零P1＋P2＋P3＝0此时晶体表面不产生电荷，即呈中性。yxP1P2P3(a)＋＋＋－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－＋＋＋＋－－－－(b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy＋－＋－＋－第6章压电式与压磁式传感器受X方向压力时正、负电荷重心不再重合P1减小，P2、P3增大(P1+P2+P3)X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0yxP1P2P3(a)＋＋＋－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－＋＋＋＋－－－－(b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy＋－＋－＋－这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为纵向压电效应。第6章压电式与压磁式传感器受Y轴压力与X方向拉力相同(P1+P2+P3)X0X轴的正向:负电荷Y、Z轴方向无电荷yxP1P2P3(a)＋＋＋－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－＋＋＋＋－－－－(b)(c)xyAFxP1P2P3oFxBxAFyyCBDP1P2P3ooFy＋－＋－＋－这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象即为横向压电效应。第6章压电式与压磁式传感器受Z轴力:无论是压力还是拉力作用都会使晶体在x方向和y方向产生完全相同的形变，所以，正、负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz作用下，晶体不产生压电效应。（切向压电效应）石英压电效应返回第6章压电式与压磁式传感器2、纵向压电效应xxFdq11d11为x方向受力的压电系数d11=2.31×10-12C/NFX为作用力xbzyac返回++++++++-----------xyo++++++++-----------++++++++-----------++++++++-----------yfyfxfxf(a)X轴向受压力(b)X轴向受拉力(d)Y轴向受拉力(c)Y轴向受压力第6章压电式与压磁式传感器3、横向压电效应yyFbadq12d12——y轴方向受力的压电系数；石英晶体对称性，有d12=-d11；a-长度；b-厚度。返回++++++++-----------xyo++++++++-----------++++++++-----------++++++++-----------yfyfxfxf(a)X轴向受压力(b)X轴向受拉力(d)Y轴向受拉力(c)Y轴向受压力第6章压电式与压磁式传感器①当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；④晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；⑤无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。结论：返回第6章压电式与压磁式传感器三、陶瓷的压电效应无外电场作用时总极化强度为零施加外电场时电畴自发极化方向与外电场一致外电场去掉后具剩余极化强度人造多晶体：经极化处理后的人工多晶铁电体电畴剩余极化强度第6章压电式与压磁式传感器－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极＋＋＋＋＋极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度束缚电荷会吸附自由电荷陶瓷片对外不表现极性第6章压电式与压磁式传感器这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。Fdq33d33:压电陶瓷压电系数F：作用力加外力＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋＋极化方向F电畴偏转，极化强度变小，自由电荷释放－－－－－＋＋－－返回第6章压电式与压磁式传感器第6章压电式与压磁式传感器逆压电效应：由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ返回第6章压电式与压磁式传感器第6章压电式与压磁式传感器（a）纵向变形y++++FzFzxz----d33:压电陶瓷的压电系数；Fz:作用力。33zqdF第6章压电式与压磁式传感器①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。具有较高的固有振动频率。③电性能。高电阻率和大介电常数。为了减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间褪化。压电材料具备主要特性：四、压电材料指压电材料开始丧失压电特性的温度。返回第6章压电式与压磁式传感器1、石英晶体石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好。在20℃～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到573℃时，它完全失去了压电特性，这就是它的居里点。斜率：－0.016％/℃1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20t℃石英的d11系数相对于20℃的d11温度变化特性6543210100200300400500600t/℃相对介电常数ε居里点石英在高温下相对介电常数的温度特性第6章压电式与压磁式传感器优点：性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。缺点：价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。用于标准仪器或要求较高的传感器中。切割：各向异性晶体，按不同方向切割，物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。组成：天然和人工培养两种类型。因其物理和化学性质几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。第6章压电式与压磁式传感器天然形成的石英晶体外形第6章压电式与压磁式传感器人工合成水晶双面镀银并封装压电晶片石英晶体薄片石英晶体切片及封装第6章压电式与压磁式传感器（2）水溶性压电晶体属于单斜晶系的有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6·4H2O)，硫酸锂(Li2SO4·H2O)；属于正方晶系的有磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)等。压电灵敏度和介电常数较高但易受潮，机械强度较低，电阻率低。只限于在室温和湿度低的环境下使用。第6章压电式与压磁式传感器（3）铌酸锂晶体（LiNbO2）通过人工提拉法制成。与石英晶体相似，也是一种单晶体，无色或浅黄色，透明。因为是单晶体，所以时间稳定性比多晶体的压电陶瓷好得多。是一种压电性能良好的电-声换能材料。熔点1250℃，居里点1210℃。在耐高温的传感器上应用广泛。比石英晶体脆弱，而且热冲击性很差，所以在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛和急冷急热。第6章压电式与压磁式传感器⑴钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数约为石英晶体的50倍。不足之处是居里温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2、压电陶瓷第6章压电式与压磁式传感器⑵锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌Nb、锑Sb、锡Sn、锰Mn、钨W等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。第6章压电式与压磁式传感器(3)铌酸盐系压电陶瓷这一系中是以铁电体铌酸钾(KNbO3)和铌酸铅(PbNb2O6)为基础的。铌酸钾和钛酸钡十分相似，但所有的转变都在较高温度下发生，在冷却时又发生同样的对称程序：立方、四方、斜方和菱形。居里点为435℃。铌酸铅的特点是能经受接近居里点(570℃)的高温而不会去极化，有大的d33／d31比值和非常低的机械品质因数QM。铌酸钾特别适用于作10~40MHz的高频换能器。近年来铌酸盐系压电陶瓷在水声传感器方面受到重视。由于它的性能比稳定，适用于深海水听器。第6章压电式与压磁式传感器(4)铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）它由铌镁酸铅、锆酸铅（PbZrO3）和钛酸铅（PbTiO3）三种化合物按不同比例配出不同性能的压电陶瓷。具有极高的压电系数（d33=800×10-12～900×10-12C/N）和较高的居里点（260℃），而且能承受较高的压力（7×107Pa）。因此可作为工作在高温下的测力传感器的压电元件。12333PbMgNbO第6章压电式与压磁式传感器打火用压电陶瓷压电陶瓷蜂鸣器压电陶瓷外形超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片第6章压电式与压磁式传感器第6章压电式与压磁式传感器3.压电半导体材料如硫化锌ZnS、硫化镉CdS、氧化锌ZnO、碲化镉CdTe、碲化锌ZnTe、砷化镓CaAs，既具有压电特性，又具有半导体特性，有利于将元件和线路集成于一体，研制新型集成压电传感器测试系统。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。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。第6章压电式与压磁式传感器3、高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。第6章压电式与压磁式传感器第二节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二、压电传