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压电式压力传感器的工作原理ppt

发布日期:2021-01-14 02:37

  LOGO 8-3 压电式压力传感器的工作原理 8-3-1 压电效应 当对某些晶体在某些特定方向上加力时,在施力方向的垂直平面上出现正、负束缚电荷,这种现象称为压电效应。 当晶体受到机械力作用时,一定方向的表面产生束缚电荷,电荷密度大小与所加应力大小成线性关系,这种由机械效应转换为电效应的过程称为正压电效应。 当某些晶体在外电场激励下,会使晶体在某些方向上产生形变(或谐振)现象,且二者之间亦存在线性关系,这种由电效应转换为机械效应的过程称为逆压电效应。 图1 压电效应可逆性 8-3-1 压电效应 压电元件在受到力作用时,作用力与产生的表面电荷间的关系可表示为 q=dijσ q为产生表面电荷的密度,σ为单位面积上的作用力,dij为压电常数 8-3-1 压电效应 常见晶体的压电系数 逆压电效应 S=dtE ,产生变形,应变S,外加电场强度E 在自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。 图1 石英晶体结晶轴向示意图 X轴为二度旋转对称轴,又称为电轴或极化轴,沿X轴方向的压电效应最显著,Y轴又称机械轴,沿Y轴方向具有横向压电效应。Z轴是三度旋转对称轴,又称光轴,在这个方向上没有压电效应。在实际应用中,以X轴方向作为压电晶片的厚度方向切割石英,简称X切石英。同理,还有Y切石英。 图2 石英晶体结构示意图(左旋石英) 在正常情况下,石英的硅离子和氧离子配备在六棱柱的晶格上,硅离子按螺旋线排列,螺旋线的螺旋方向表明是右旋石英还是左旋石英,上图示出的是左旋石英,硅离子2的位置比硅离子1要深入,而硅离子3的位置比硅离子2要深入(这里指从书本纸面向内以左旋方式进入)。 石英晶体的压电效应 压电晶体 * 图3 X切石英的纵向压电效应 X切石英纵向压电效应表现如图 3 所示。当沿X方向施加应力(压应力或者张应力)时,石英晶体中带正电荷的硅离子与带负电荷的氧离子间相对位置发生变化,破坏了如图2 所示的分子间原先的平衡, 在晶体内产生电场,于是在垂直于X轴的两极板表面产生等值的异号电荷堆积(注意是束缚电荷),亦即产生了压电效应。相反,若在垂直于X轴的两极板表面施加电场时,电场的作用使离子极化,而极化电荷因同性相斥,异性相吸导致离子发生相对位移,使晶体在X轴方向上的厚度发生变化,其表现与正压电效应的情况相反,亦即产生了逆压电效应。 图4 Y切石英的横向压电效应 对于Y切石英,其横向压电效应表现为沿Y轴方向施加压力(压应力或者张应力)使得改变硅离子与氧离子相对位置时,在X轴方向 的两个极板上出现等值异号电荷堆积(图4)。在逆效应时,石英晶体受外加电场作用,使离子发生极化,晶胞中的离子因极化电荷的同性相斥、异性相吸而产生相对位移,使得晶胞内部产生内应力(压电力),最终引起宏观应变的发生。 压电晶体 * 压电晶体 图3 石英晶体压电模型 不受力时; (b) x轴方向受力; (c) y轴方向受力 图3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-。 压电晶体 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3(a)所示。 因为P=ql, q为电荷量,l为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。如图3(b)所示,此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x轴的正方向出现负电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图-3c)所示。与图-3(b)情况相似,P1增大,P2、P3减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。 如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。 当作用力Fx、Fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。 压电晶体 压电晶体 石英晶体的压电常数矩阵 d11 d12 0 d14 0 0 0 0 0 0 d25 d26 0 0 0 0 0 0 图-6 压电元件变形方式 (a)厚度变形( TE ); (b) 长度变形( LE ); (c) 体积变形( VE ); 面剪切变形( FS ); (e)厚度 剪切变形( TS ) 压电晶体 压电陶瓷 2 压电陶瓷 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, 如图(a)所示。 压电陶瓷 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不变,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性所示。 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化,当陶瓷材料受到外力作用时,电畴的界限发生移动,电畴发生偏转,从而引起剩余极化强度的变化,因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。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。 对Z轴方向极化的钛酸钡陶瓷,其压电常数矩阵: 0 0 0 0 d15 0 0 0 0 d24 0 0 d31 d32 d33 0 0 0 压电陶瓷 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1∶1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。 压电陶瓷 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT)系列, 它是钛酸铅(PbTiO2)和锆酸铅(PbZrO3)组成的(Pb(ZrTi)O3)。居里点在300℃以上,性能稳定,有较高的介电常数和压电系数(性能指标见表6-1)。 铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅 、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)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和较高的工作温度, 而且能承受较高的压力。 * 1880年法国人居里兄弟皮尔(P·Curie)与杰克斯(J·Curie)发现压电效应(piezoelectriceffect)。起先,皮尔致力于焦电现象(pyroelectriceffect)与晶体对称性关系的研究,后来兄弟俩却发现,在某一类晶体中施以压力会有电性产生。他们又系统的研究了施压方向与电场强度间的关系,及预测某类晶体具有压电效应。经他们实验而发现,具有压电性的材料有:闪锌矿(zincblende)、钠氯酸盐(sodiumchlorate)、电气石(tourmaline)、石英(quartz)、酒石酸(tartaricacid)、蔗糖(canesuger)、方硼石(boracite)、异极矿(calamine)、黄晶(topaz)及若歇尔盐(Rochellesalt)。这些晶体都具有非晶方性(anisotropic)结构,晶方性(isotropic)材料是不会产生压电性的。 压电陶瓷 * 压电现象理论最早是李普曼(Lippmann)在研究热力学原理时就已发现,后来在同一年,居里兄弟做实验证明了这个理论,且建立了压电性与晶体结构的关系。1894年,福克特(W.Voigt)更严谨地定出晶体结构与压电性的关系,他发现32种晶类(class)可能具有压电效应(32类中不具有对称中心的有21种,其中一种压电常数为零,其余20种都具有压电效应) 压电陶瓷 * 早在居里兄弟发现压电性后的三分之一世纪中,压电效应在应用上几乎没有受到任何重视。就是皮尔本人也只不过用它来测量镭元素所辐射出的电荷罢了。到了第一次世界大战,盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损,于是设法寻找有效侦测潜艇的方法。因为电磁波无法有效穿透海水,而声波则能容易地在海里行进,因此,当时的蓝杰文(gevin)发展出利用石英压晶体管作为声波产生器。可惜等到有了好结果,大战已接近尾声而来不及用上了。石英两面各贴一钢片,使其振荡频率降到50KHz,外加一电脉波讯号,则经换能器转换成声波传至海底;过一段时间后,换能器接收到由海底反射之回波,由来回时间及波在海中行进的速度,可决定换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。 压电陶瓷 二次大战声纳音鼓所使用的材料是若歇尔盐(Potassium Organic Salt)而非石英晶体。1942年,第一个压电陶瓷材料—钛酸钡先后在美国、前苏联和日本制成。1947年,钛酸钡拾音器—第一个压电陶瓷器件诞生了。50年代初,又一种性能大大优于钛酸钡的压电陶瓷材料--锆钛酸铅研制成功。从此,压电陶瓷的发展进入了新的阶段。60年代到70年代,压电陶瓷不断改进,逐趋完美。如用多种元素改进的锆钛酸铅二元系压电陶瓷,以锆钛酸铅为基础的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生。这些材料性能优异,制造简单,成本低廉,应用广泛。 早期压电效应仅止于学术上的趣味性研究,而如今则已成为非常有用的效应, 压电陶瓷 如今压电传感器已经被科学家应用到国防建设、科学研究、工业生产以及和人民生活密切相关的许多领域中,成为信息时代的多面手。 在航天领域,压电材料制作的压电陀螺,是在太空中飞行的航天器、人造卫星的“舵”。依靠“舵”,航天器和人造卫星,才能保证其既定的方位和航线。传统的机械陀螺,寿命短,精度差,灵敏度也低,不能很好满足航天器和卫星系统的要求。而小巧玲珑的压电陀螺灵敏度高,可靠性好。 压电陶瓷 在潜入深海的潜艇上,都装有人称水下侦察兵的声纳系统。它是水下导航、通讯、侦察敌舰、清扫敌布水雷的不可缺少的设备,也是开发海洋资源的有力工具,它可以探测鱼群、勘查海底地形地貌等。在这种声纳系统中,有一双明亮的“眼睛”——压电水声换能器。当水声换能器发射出的声信号碰到一个目标后就会产生反射信号,这个反射信号被另一个接收型水声换能器所接收,于是,就发现了目标。 在医学上,医生将压电探头放在人体的检查部位,通电后发出超声波,传到人体碰到人体的组织后产生回波,然后把这回波接收下来,显示在荧光屏上,医生便能了解人体内部状况。 压电陶瓷 在工业上,地质探测仪里有压电元件,用它可以判断地层的地质状况,查明地下矿藏。还有电视机里的变压器,它体积变小、重量减轻,效率可达60%-80%,能耐住3万伏的高压,使电压保持稳定,完全消除了电视图象模糊变形的缺陷。现在国外生产的电视机大都采用了压电陶瓷变压器。一只15英寸的显像管,使用75毫米长的压电变压器就行了。这样就使电视机体积变小、重量减轻了。 压电陶瓷 压电也广泛用于日常生活中。用了两个直径3毫米、高5毫米的压电陶瓷柱取代了普通的火石制成的气体电子打火机,可连续打火几万次。利用同一原理制成的电子点火枪是点燃煤气炉极好的用具。还有一种用压电元件制作的儿童玩具,比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器,玩具都会发出逼真有趣的声音。 压电陶瓷 压电效应的新领域: 近年来人们合成方法研制出许多具有压电效应和逆压电效应的聚合物材料,并将这些材料冠名为“人造肌肉”。世界各国的研究者们发起了一项挑战:看谁能够最先利用人造肌肉制造出机器人手臂,而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。 随着高新技术的发展,压电陶瓷的应用必将越来越广阔。除了用于高科技领域,它更多的是在日常生活中为人们服务,为人们创造更美好的生活。 压电陶瓷 知识点 1.压电晶体和压电陶瓷产生压电效应的基本原理。 LOGO

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