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1、1,某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。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”。,5.1 压电效应及压电材料,5.1.1 压电效应,2,反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一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。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”。,压电效应的可逆性,3,电致收缩效应,电介质在电场作用下，会由于极化而引起与电场方向
2、无关的的变形现象，与逆压电效应都是将电能转化为机械能的效应。,两者区别在于：电致收缩效应与电场方向无关，其形变与电场强度平方成正比；而逆压电效应与电场方向有关，其形变与电场强度成正比，当外加电场反向时，产生形变也反向。,4,压电材料的分类,5.1.2 压电材料,5,压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。,1、压电材料的主要特性参数,介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关,弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。,6,机械耦合系数：转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。,电阻:压电
3、材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。,居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。,7,2、压电晶体,优点：转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。,石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构压电系数d112.3110-12 C/N；机械强度与品质因素高；居里点为573.,8,9,这一类包括单晶体包括酒石酸钾钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、砷酸二氢钾、砷酸二氢铵、铌酸锂。优点：压电灵敏度较高，高温强辐射条件下工作性能稳定缺点：易于受潮，质地脆，机械强度低，电阻也较低,
4、水溶性压电晶体,10,3、常见压电陶瓷：,（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。（2）锆钛酸铅Pb（ZrTi）O3系压电陶瓷（PZT）压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。,11,4、新型压电材料,压电半导体 包括硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉 既具有压电特性，又具有半导体特性。有机高分子压电材料
5、一类是高分子聚合物 聚偏氟乙烯(PVF2)、聚氯乙烯(PVC)、聚氟乙烯 优点：质地柔软，抗拉强度高，耐冲击 另一类是高分子化合物中掺杂钛酸钡(BaTiO3),12,1.石英晶体的结构,X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。,纵向压电效应：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷横向压电效应：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。,5.1.3 石英晶体的压电特性,13,如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为纵向压电效应，把沿
6、机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为横向压电效应，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,14,15,d11压电系数（C/N）,作用力是沿着机械轴方向电荷仍在与X轴垂直的平面,此时，,晶体切片,当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷,16,石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“”代表硅离子Si4+，“”代表氧离子O2-。,2.石英晶体产生压电效应的微观机理,17,硅氧离子的
7、排列示意图,x,18,当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图所示。,因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。,19,20,当晶体受到沿x方向的压力（F x 0,在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0,21,22,在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。,当晶体受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用时，其变化情况如图所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时
8、它们在x、y、z三个方向上的分量为,(P1+P2+P3)x0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0,23,24,可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。,晶体在y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx 相似。当Fy0时，晶体的形变与图（b）相似；当Fy 0时，则与图（c）相似。,25,晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，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。,26,3.作用力与电荷的关系,若从晶
9、体上沿y方向切下一块如图（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力x 成正比。,27,即：,d11压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；a、c石英晶片的长度和宽度。,而P11在数值上等于晶面上的电荷密度,将以上两式联立，得,28,反之，若沿x方向对晶片施加电场，电场强度大小为Ex。根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸缩，即：b=d11U x,也可用相对应变表示为：,29,若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力y，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为,根据石英晶体轴对称条件：d11
10、=-d12，则：,晶片厚度,30,反之，若沿y方向对晶片施加电场，根据逆压电效应，晶片在y轴方向将产生伸缩变形，即,或用相对应变表示：,31,石英晶体受力方向与电荷极性关系,32,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；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；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；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；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。,33,5.1.2 压电陶瓷的压电特性,压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自
11、发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。,34,在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。,35,压电陶瓷的结构及极化,36,陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶
12、瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。,陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图,37,正压电效应示意图,如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。正压电效应。,38,39,q 电荷量；d33 压电陶瓷的压电
13、系数；F 作用力。,这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。,放电电荷的多少与外力的大小成比例关系,40,若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种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，就是压电陶瓷的逆压电效应。,逆压电效应示意图,41,42,压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩
14、余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化,从而使其压电特性减弱。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按11摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍，但居里点温度只有115，使用温度不超过70，温度稳定性和机械强度都不如石英。,43,5.2 等效电路及测量电路,1.压电元件的连接方式2.压电元件的等效电路3.压电式传感器的测量电路,44,5.3.1 压电晶片的连接方式,在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。,45,串联方法正电荷集
15、中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。,(a)串联,46,并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。,(b)并联,47,并联接法输出电荷大，本身电容大，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。,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。,48,5.3.2 压电式传感器的等效电路,压电传感器在受外力作用时，在两个电
16、极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为,式中，为真空介电常数;为压电材料的相对介电常数；h为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。,49,因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为一个电压源，如下图b所示。,a)电荷源,压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容C，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。,b)电压源,50,实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压
17、电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图所示的电压等效电路（a）和电荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。,51,压电传感器产生的电荷很少，信号微弱，而自身又要有极高的绝缘电阻，因此需经测量电路进行阻抗变换和信号放大，且要求测量电路输入端必须有足够高的阻抗和较小的分布电容，以防止电荷迅速泄漏，电荷泄漏将引起测量误差。,52,压电传感器能否适宜静态测量？Why？,等效电路及输出都是在压电元件本身为理想绝缘体，外电路负载无穷大，内部无泄漏时，受力产生的电压才能长期不变。而实际负载不可能无穷大，则电路就会以时间常数按指数规律放电，因此，对于测量静态或低频准信号极为不利，会
18、带来测量误差；只有在交变动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。,53,5.3.3 压电式传感器的测量电路,由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器输出信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。,54,前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。,另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略
19、不计，故而电荷放大器应用日益广泛。,一是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；,前置放大器电路有两种形式：,55,1.电压放大器（阻抗变换器）,压电传感器接放大器的等效电路（a）放大器电路;（b）等效电路,56,若压电元件受正弦力f=Fmsint的作用，则其电压为,式中：Um压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；d11压电系数;w为交变力的角频率。,57,由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为,前置放大器的输入电压的幅值为,输入电压和作用力之间相位差为,58,在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，
20、,则,令,59,式中,-测量回路固有频率,60,结论,（1）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。,(2)当，前置放大器输入电压Uim随频率变化不大,（3）当，可近似看作放大器输入电压与作用力的频率无关，说明压电传感器高频响应特性好，即输出电压不受频率限制，适合于高频交变力的测量。,61,（4）采用电压放大器的压电传感器的压电灵敏度受分布电容C的影响,引线电缆不能太长，否则会降低电压灵敏度；,不能随意改变引线电缆长度，否则电压灵敏度也会改变,62,2.电荷放大器,用电压放大器作
21、为前置变换电路使得输出U不仅与电荷量有关，还与连接电缆等分布参数如CC有关，所以系统的互换性不好，采用电荷放大器就可以较好地解决这个问题。,电荷放大器实际上是一个具有深度负反馈的高增益运算放大器。,63,电荷放大器等效电路,电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。,64,由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输出电压,通常A=104-108，因此,当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为,65,由上式知，电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容CF，
22、与电缆电容Cc无关，且与q成正比，因此，采用电荷放大器时，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。在实际电路中，CF的容量做成可选择的，范围一般为100-104pF。,66,5.3 压电式传感器的应用,压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。,压力式单向测力传感器结构图,压电式测力传感器,67,传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1-0.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其纵向压电效应，通过d11实现力电转换。石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的测力范围为0-50
23、00N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为50-60 kHz，整个传感器重为10 g。,典型应用：机床动态切削力的测量。,68,压电式刀具切削力测量示意图,69,图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、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。,压电式加速度传感器结构图,压电式加速度传感器,70,当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，,F=ma,式中：F质量块产生的惯性力;m质量块的质量 a加速度。此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出电荷为,q=d11F=d11ma
24、,与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。,71,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,压电式玻璃破碎报警器,72,压电式压力传感器,引线,壳体,基座,压电晶片,受压膜片,导电片,p,压电式测压传感器,73,当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,即：压电式压力传感器的输出电荷q与输入压强P成正比。,74,压电式声
25、传感器,压电陶瓷换能器结构图,当交变信号加在压电陶瓷片两端面时，由于压电陶瓷的逆压电效应，陶瓷片会在电极方向产生周期性的伸长和缩短。,75,当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象，即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器就是声频信号接收器。,如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电超声换能器。,76,压电式流量计,压电超声换能器每隔一段时间(如1/100s)发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。
26、,压电式流量计,77,压电式传感器在测漏中的应用,如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。,78,两者时间差为,t=tA-tB=（LA-LB）/v,又L=LA+LB，所以,79,超声速测量实验装置,压电声传感器在超声速测量实验中的应用,80,当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1是声频信号发生器。,当S1发出的声波信号经过空气传播到达换能器S2时，空气振动产生的压力作用在S2的压电陶瓷片上使之出现充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。所以，换能器S2是声频信号接收器。,81,压电陶瓷位移器,压电陶瓷超声换能器,压电加速度计,
