《自动检测技术与装置》电子课件

《自动检测技术与装置》电子课件,自动检测技术与装置,自动检测,技术,装置,电子,课件 第六节 压电式检测元件n压电式检测元件是利用压电材料作为敏感元件，以其受外力的作用时在晶体表面产生电荷的压电效应为基础来实现参数测量的。它可以把力、压力、加速度和扭矩等物理量转换成电信号输出。压电效应压电效应 某些物质沿某一方向受到外力某些物质沿某一方向受到外力(压力或者拉力压力或者拉力)作用时，会产生作用时，会产生变形，同时其内部产生变形，同时其内部产生极化极化现象，此时在这种材料的两个表面现象，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，这种现象被称为的状态，这种现象被称为压电效应压电效应。当作用力方向改变时，电当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。所受的作用力越大，机械变形越大，所产荷极性也随之改变。所受的作用力越大，机械变形越大，所产生的电荷量越多。生的电荷量越多。这种这种机械能转化为电能机械能转化为电能的现象称为的现象称为“正压电正压电效应效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。第六节 压电式检测元件 正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图正（顺）压电效应示意图F F F FF FF F 第六节 压电式检测元件反之，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“逆逆压电效应压电效应”或或“电致伸缩效应电致伸缩效应”。压电效应的可逆性压电效应的可逆性压电效应的可逆性压电效应的可逆性 逆压电效应逆压电效应逆压电效应逆压电效应电能电能电能电能机械能机械能机械能机械能正压电效应正压电效应正压电效应正压电效应第六节 压电式检测元件常见的压电材料有两类：石英常见的压电材料有两类：石英晶体和压电陶瓷。晶体和压电陶瓷。第六节 压电式检测元件 石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应第六节 压电式检测元件在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴纵轴Z轴称为轴称为光轴光轴，平行于六面体的棱线并垂直于光铀的，平行于六面体的棱线并垂直于光铀的X铀称为铀称为电轴电轴，与，与X轴和轴和Z轴垂直的轴垂直的Y轴轴(垂直于六面体的棱线垂直于六面体的棱线)称为称为机械轴机械轴。如图所示为天然石英晶体，如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。柱，两端为一对称棱锥。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-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-X-X X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X(X轴轴)方向的作用力产生方向的作用力产生的压电效应称为的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”，把沿机械轴，把沿机械轴(Y(Y轴轴)方向的作用力产生的压方向的作用力产生的压电效应称为电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴，沿光轴(Z(Z轴轴)方向的作用力不产生压电效应。方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生沿相对两棱加力时，则产生切向效应切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效压电式传感器主要是利用纵向压电效应。应。第六节 压电式检测元件石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体产生压电效应的微观机理第六节 压电式检测元件石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。是一个单元石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的轴的xy平面上平面上的投影，等效为一个正六边形排列。的投影，等效为一个正六边形排列。图中图中“”代表硅离子代表硅离子Si4+，“”代表氧离子代表氧离子O2-。硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图第六节 压电式检测元件注：当晶体受到沿注：当晶体受到沿x x(电轴电轴)方向的力方向的力F F F Fx x 作用时，它在作用时，它在x x方方向产生正压电效应，而向产生正压电效应，而y y、z z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。注：晶体在注：晶体在y y轴方向受力轴方向受力F Fy y作用下的情况与作用下的情况与F Fx x 相似。相似。晶体在晶体在y y（即机械轴）方向的力（即机械轴）方向的力 F Fy y作用下，在作用下，在x x方向产生正方向产生正压电效应，在压电效应，在y y、z z方向同样不产生压电效应。方向同样不产生压电效应。第六节 压电式检测元件石英晶体受力方向与电荷极性关系石英晶体受力方向与电荷极性关系 注：晶体在z轴方向受力F 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F Fz 作用下，晶体不产生压电效应。第六节 压电式检测元件作用力与电荷的关系作用力与电荷的关系 若从晶体上沿沿y y方方向向切下一块如图所示的晶片，当沿电轴x方向施加作用力F Fx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，在与电轴垂直的平面上产生的电荷Q Q11与所施加力F Fx 成正比。第六节 压电式检测元件d d1111压电系数。下标的意义为产生电压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；荷的面的轴向及施加作用力的轴向；电荷符号取决于变形的形式。电荷符号取决于变形的形式。若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力F Fy，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=-d12，则：晶片厚度晶片厚度晶片厚度晶片厚度第六节 压电式检测元件第六节 压电式检测元件压电常数下标的含义：压电常数下标的含义：第一个下标：表示极化方向，第一个下标：表示极化方向，i=1,2,3i=1,2,3分别代表分别代表X X，Y Y，Z Z轴；轴；第二个下标：表示作用力的方向，第二个下标：表示作用力的方向，j=1,2,3,4,5,6j=1,2,3,4,5,6分别代表沿分别代表沿X X轴，轴，Y Y轴，轴，Z Z轴方向的单向应力和轴方向的单向应力和垂直于垂直于X X轴，轴，Y Y轴，轴，Z Z轴平面（即轴平面（即YZYZ平面，平面，XZXZ平面，平面，XYXY平面）作平面）作用的剪切力；用的剪切力；剪切力的作用方向 当晶片受到电轴当晶片受到电轴x方向的压力作用时，方向的压力作用时，Qx只与作用力只与作用力F Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；成正比，而与晶片的几何尺寸无关；沿机械轴沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；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；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；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。（或电场强度）之间皆呈线性关系。第六节 压电式检测元件压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工制制造造的的多多晶晶体体压压电电材材料料。材材料料内内部部的的晶晶粒粒有有许许多多自自发发极极化化的的电电畴畴，它它有有一一定定的的极极化化方方向向，从从而而存存在在电电场场。在在无无外外电电场场作作用用时时，电电畴畴在在晶晶体体中中杂杂乱乱分分布布，它它们们各各自自的的极极化化效效应应被被相相互互抵抵消消，压压电电陶陶瓷瓷内内极极化化强强度度为为零零。因因此此原原始始的的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应第六节 压电式检测元件在在陶陶瓷瓷上上施施加加外外电电场场时时，电电畴畴的的极极化化方方向向发发生生转转动动，趋趋向向于于按按外外电电场场方方向向的的排排列列，从从而而使使材材料料得得到到极极化化。外外电电场场愈愈强强，就就有有更更多多的的电电畴畴更更完完全全地地转转向向外外电电场场方方向向。让让外外电电场场强强度度大大到到使使材材料料的的极极化化达达到到饱饱和和的的程程度度，即即所所有有电电畴畴极极化化方方向向都都整整齐齐地地与与外外电电场场方方向向一一致致时时，当当外外电电场场去去掉掉后后，电电畴畴的的极极化化方方向向基基本本变变化化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。第六节 压电式检测元件压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的极化压电陶瓷的极化 (a)(a)未极化未极化;(b);(b)电极化电极化 第六节 压电式检测元件压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应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。这些自由电荷与陶电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。对外界的作用。第六节 压电式检测元件压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力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，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，因此电极大，因此电极图图图图上又吸附上又吸附一部分自由电荷而出现充一部分自由电荷而出现充电现象。电现象。正压电效应。正压电效应。第六节 压电式检测元件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，或者由电变为机械效应，或者由电能转变为机械能的现象，能转变为机械能的现象，就是压电陶瓷的就是压电陶瓷的逆压电效应逆压电效应。第六节 压电式检测元件第六节 压电式检测元件n压电材料压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。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。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。第六节 压电式检测元件n压电材料 常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷、高分子材料 最典型的压电晶体是石英晶体 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料 在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到随温度而变化。但是当温度升高到573时，石英晶体将完时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。全丧去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的石英晶体的突出优点突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。器中。石英晶体石英晶体第六节 压电式检测元件石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。应用成本较低的人造石英晶体。注：因为石英是一种注：因为石英是一种各向异性各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型英片的切型。第六节 压电式检测元件石英晶体石英晶体压电陶瓷主要有以下几种：压电陶瓷主要有以下几种：1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（）和二氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它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）。倍）。不足之处是居里点温度低（不足之处是居里点温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。晶体。压电陶瓷压电陶瓷第六节 压电式检测元件2.2.锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZTPZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在压电系数更大，居里点温度在300以上，各项以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好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。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的得不同性能的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。传感器中应用最广泛的压电材料。第六节 压电式检测元件 压电陶瓷压电陶瓷压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路当当压压电电晶晶体体承承受受应应力力作作用用时时，在在它它的的两两个个极极面面上上出出现现极极性性相相反反但但电电量量相相等等的的电电荷荷。故故可可把把压压电电传传感感器器看看成成一一个个电电荷荷源源与与一一个个电电容容并联的电荷发生器。并联的电荷发生器。其电容量为：其电容量为：第六节 压电式检测元件当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为 因此，压电传感器还可以等效为电压源因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ca的的串联电路，如图串联电路，如图(b)。第六节 压电式检测元件压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 第六节 压电式检测元件实际使用时，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、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表以后，压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示。这两种等效电路是完全等效的。示成下图所示。这两种等效电路是完全等效的。第六节 压电式检测元件 压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 （a a）电压源电压源;（b b）电荷源电荷源 压电晶片的连接方式压电晶片的连接方式压电晶片的连接方式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，组成在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成在实际应用中，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。片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。第六节 压电式检测元件并联方法并联方法并联方法并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中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也大，故这种传感器适用于也大，故这种传感器适用于也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。测量缓变信号及电荷量输出信号。测量缓变信号及电荷量输出信号。测量缓变信号及电荷量输出信号。第六节 压电式检测元件串联方法串联方法串联方法串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器正电荷集中于上极板，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本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量测量测量测量以电压作输出的信号和频率较高的信号以电压作输出的信号和频率较高的信号以电压作输出的信号和频率较高的信号以电压作输出的信号和频率较高的信号。第六节 压电式检测元件第六节 压电式检测元件值得注意的是值得注意的是：利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测度。而在动态力作用下，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量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量动态测量。第六节 压电式检测元件第六节 压电式检测元件三、压电式检测元件的误差三、压电式检测元件的误差 n温度引起的误差n电缆噪声n灵敏度变化第六节 压电式检测元件压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器压电式压力传感器的输压电式压力传感器的输压电式压力传感器的输压电式压力传感器的输出电荷出电荷出电荷出电荷q q与输入压强与输入压强与输入压强与输入压强P P成正比成正比成正比成正比例例 压电式压力传感器压电式压力传感器例例 压电式流量计压电式流量计压电式流量计压电式流量计压电式流量计压电式流量计压电超声换能器每隔一压电超声换能器每隔一压电超声换能器每隔一压电超声换能器每隔一段时间段时间段时间段时间(如如如如1/100s)1/100s)发射发射发射发射和接收互换一次。在顺和接收互换一次。在顺和接收互换一次。在顺和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发流和逆流的情况下，发流和逆流的情况下，发流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流射和接收的相位差与流射和接收的相位差与流射和接收的相位差与流速成正比。速成正比。速成正比。速成正比。第六节 压电式检测元件