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1、传感器原理及应用 第五章 压电式传感器 第5章 压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器 （或发电型传感器）。它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，从而实现非电量电测的目的。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量 最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力 、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参 数的测量。 压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽 、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅 速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感 器的应用越来越广泛。 下一页 衣服也能发电 利用了运动过程中 ，人体与衣服、衣 服与衣服之间的压 力来产生电力，
2、这 些电可以储存进同 样编织进衣服里的 软式蓄电池内，稍 后就可以拿来为行 动电话或是 MP3 播放器充电 第5章 压电式传感器 51 压电效应 52 压电材料 53 压电式传感器的测量电路 54 压电式传感器的应用 上一页下一页 51 压电效应 压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部 将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相 反的电荷（电荷Q与所施加的力F成正比 ）；当外力作 用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时 ，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具 有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电 半导体等。 逆压电效应 若在电介质的极化方向上施
3、加交变电压，它就 会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随 之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 上一页下一页 石英晶体 的压电效 应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出 电压的频率与动态力的频率相同；当施加静态力时， 在初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏 电，所产生的电荷很快泄漏，并消失。 一 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶 （SiO2） 它的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两 个氧离 子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光轴看去，可以认 为是正 六边形排列结构。属于六角晶系。下图是天然石英晶体
4、的外 形图， 它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光 轴，它与 晶体的纵轴线方向一致（有折光效应，没有压电效应）；X 轴又称电 轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称 机械轴， 它垂直于两个相对的晶柱棱面。 上一页下一页 石英晶体的外形、坐标轴及切片 结构及剖面 从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进一步从该 正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常用的石英晶片。正方 形薄片的6个面分别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴（y 轴）。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”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“ 横
5、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。 上一页下一页 石英晶体切片 石英晶体薄片 天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较 1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时， 在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx 式中 的 d11称为压电常数。 2.在y轴方向施加压力Fy时，仍然在x面上产生电荷： 式中的 l、t为石英 晶片的长度和厚度。 1正电荷等效中心 2负电荷等效中心 压电效应的微观分析 未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电 1正电荷等效中心 2负电荷等效中心 晶体沿x面
6、受压力时的带电情况分析 石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电 Q=d11Fx 其极间电压： 1正电荷等效中心 2负电荷等效中心 晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹性体反弹 时，也能导致石英晶体的正负电荷中心分离, x面的上表面带 负电,下表面带正电。受交变力时，产生交变电信号。 由上式可知，正压电效应产生电荷的 多少与切片尺寸无关；Q 的正、负由 FX 是拉力或压力而定。UX 是正压电效应产 生的电荷建立的极间电压。反之，若沿 x方向对晶片施加一电场，强度EX,根据 逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸 缩 也可用相对应变表示为： 交变外力作用在压电元
7、件上，可以产生交变的电荷Q，在上下镀银 的表面上产生交变电压。 产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同，等效于交变电荷源 。 注意： 外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在上下 镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存时间通常小 于几秒,而且要求放大器的输入电阻Ri无限大,因此压电式传 感器不能用于静态力的测量。 交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra 。极 间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成正比；漏电 电阻Ra应应大于1M。 压电元件的等效电路 如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，那么压 电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向上有伸缩的现 象
8、，称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。 逆压电效应 y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情况。 但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时的电荷量大几倍， 视晶片的长度与厚度之比 l/t的倍数而不同。 沿y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带负电,下表面带正电 其极间电压： 无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷 只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形 不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应 沿y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带正电,下表面带负电， y面受拉力时的带电情况等效于沿x轴
9、方向施压力的情况 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： 石英晶体受力方向与电荷极性关系见下图石英晶体受力方向与电荷极性关系见下图: : a) b) c) d) 上一页下一页 结论：结论： 1无论是正或逆压电效应，其作用力（应变）与电 荷（电场）之间呈线性关系； 2晶体在某方向上有正压电效应，则在此方向一定 存在逆压电效应； 3石英晶体不是在任何方向都存在压电效应。 二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多 晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 电畴是分子自发形成
10、的区域，它有一定的极化方向，从而 存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上 杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电 陶瓷内极化强度为零，见图（a）。 直流电场E 剩余极化强度 剩余伸长 电场作用下的伸长 (a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即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。由于束缚电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，在陶瓷片的电极面上吸附了一
11、层来自外界的自由电荷。这 些自由电些自由电 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 消了陶瓷消了陶瓷 片内极化强度对外界的作用。片内极化强度对外界的作用。 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 F，陶瓷片将，陶瓷片将 产生压产生压 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。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 力撤消后力撤消后 ，陶瓷片
12、恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一 部分自由部分自由 电荷而出现充电现象。电荷而出现充电现象。正压电效应。正压电效应。 上一页下一页 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，即陶瓷片沿极增大。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
13、为机，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。效应。 上一页下一页 注意： 压电陶瓷的压电效应与石英晶体的不同，它产生的是束缚电荷 ，充放电是表面自由电荷的释放与补充过程。 52 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。 上一页下一
14、页 压电传感器中的压电元件材料常用的有三类： 一 类是压电晶体（如石英晶体）另一类是经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是经过极化处理的高分子压电材料。 一、石英晶体石英晶体 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，在常温范围内这两个参数几乎不 随温度变化，如下两图。由图可见，在20200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。 因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，因为石英是一种各向异性晶体，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
15、性等）相差很大。在设计其物理性质（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英片的切型。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。 上一页下一页 1.00 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 20406080100120140160180200 dt / d20 斜率： 0.016/ t/ 石英的d11系数相对于20的d11温度变化特性 6 5 4 3 2 1 0 100200300400500600 t/ 相 对 介 电 常 数 居里点 石英在高温下相对介电常数 的温度特性 二、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压
16、电材料，它比石英晶体的 压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电 元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列 压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。 1 1、 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在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、锑、锡、锰、钨等）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。 2、钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3） 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 ）。不足之处是居里点温度低（120），温度稳定性和机械强度 不如石英晶体。 能减少制造过程中铅对环境的污染 ，是今后压电
