[教育]第六章压电式传感器-hjc

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1、1压电传感器2压电传感器 主要内容 1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用3概述 压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质压电式传感器是一种典型的自发电型传感器，以电介质 的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷， 从而实现非电量测量。从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行 测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用 。压电式传感器具有体积小

2、、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定 性高。 4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 压电警号概述 59.1 压电效应 某些电介质（晶体）某些电介质（晶体） 当沿着一定方向施加力变形时，内当沿着一定方向施加力变形时，内 部产生极化现象，同时在它表面会产部产生极化现象，同时在它表面会产 生符号相反的电荷；生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不带电当外力去掉后，又重新恢复不带电 状态；状态； 当作用力方向改变后，电荷的极性当作用力方向改变后，电荷的极性 也随之改变；也随之改变； vv 这种现象称压电效应。这种现象称压电效应。

3、 6vv 压电效应是可逆的压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电 能转化成机械能，这种现象称能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应逆压电效应”。 所以压电元件可以将机械能所以压电元件可以将机械能转化成电能转化成电能 也可以将电能也可以将电能转化成机械能。转化成机械能。 压电元件机械能电能9.1 压电效应 7 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英 晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。 压电材料可以分为三类：

4、压电晶体、压电陶瓷、高分子压电压电材料可以分为三类：压电晶体、压电陶瓷、高分子压电材料。材料。 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，使用时用金刚石刀具切 割出一片正方形薄片。9.2 压电材料 9.2.1 石英晶体 8天然形成的石英晶体外形9.2.1 石英晶体 9天然形成的石英晶体外形（续） 9.2.1 石英晶体 10石英晶体切片及封装 石英晶体薄片双面镀银并封装9.2.1 石英晶体 11石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作石英晶体在振荡电路中工作 时，压电效应与逆压电效应时，压电效应与逆压电效应 交替作用，从而产生稳定的交替作用，从而产生稳定的 振荡输出频率。振荡输

5、出频率。晶振晶振12(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。 9.2.1 石英晶体 X切向13压电元件受力后压电元件受力后, ,表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系: : d d为压电系数为压电系数 在在X X轴方向施力时轴方向施力时, ,产生电荷大小为产生电荷大小

6、为 : : 1 1为为X X方向应力方向应力 在在Y Y轴方向施力时轴方向施力时, ,产生电荷大小为产生电荷大小为: : 2 2为为Y Y方向应力方向应力 压电系数压电系数 -d11=d12 -d11=d12 为常数为常数 a a 、b b是晶体切片几何尺寸是晶体切片几何尺寸( (长、厚长、厚) )9.2.1 石英晶体 14石英晶体压电模型石英晶体压电模型9.2.1 石英晶体 负离子等效中心点15 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关：石英晶体的上述特征与内部分子结构有关： 当晶体不受力时当晶体不受力时F=0F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩 ， 晶

7、体呈中性；晶体呈中性； 当晶体受沿当晶体受沿X X轴方向的应力时，轴方向的应力时，X X方向压缩形变，电偶极矩方向压缩形变，电偶极矩 在在X X轴的正方向出现正电荷；轴的正方向出现正电荷； 当晶体受沿当晶体受沿Y Y轴方向的应力时，轴方向的应力时，Y Y方向压缩形变，电偶极矩方向压缩形变，电偶极矩 在在X X轴的正方向出现负电荷；轴的正方向出现负电荷； 9.2.1 石英晶体 16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；当动态力变为静态力时，电荷 将由于表面漏电而很快泄漏、消失。9.2.1 石英晶体 17石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振 荡电路中工

8、作时， 压电效应与逆压电 效应交替作用，从 而产生稳定的振荡 输出频率。晶振9.2.1 石英晶体 18压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，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）。9.2.2 压电陶瓷（多晶体 ）19 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶 粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向。 无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化

9、相互无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互 抵消，呈中性。抵消，呈中性。9.2.2 压电陶瓷（多晶体 ）20定义一：铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小定义一：铁电晶体中存在着自发极化方向不同的小 区域区域, ,那些自发极化方向相同的区域称为电畴。那些自发极化方向相同的区域称为电畴。 定义二：在介电晶体中，有一类与铁磁体性能相似定义二：在介电晶体中，有一类与铁磁体性能相似 的材料，称为铁电体（实际上铁电体一般并不含铁的材料，称为铁电体（实际上铁电体一般并不含铁 ）。在一定温度范围内，即使没有外加电场的作用）。在一定温度范围内，即使没有外加电场的作用 ，它本身也会自发形成具有一定电矩的

10、分子集团，它本身也会自发形成具有一定电矩的分子集团， 产生一定的电场，这种分子集团称为电畴。产生一定的电场，这种分子集团称为电畴。9.2.2 压电陶瓷（多晶体 ）电畴的定义：电畴的定义：21 施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场 方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外 电场一致。 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度 很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时 是非压电体。9.2.2 压电陶瓷（多晶体 ）22 晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起 剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷

11、，电荷量的大小与外剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外 力成正比关系：力成正比关系： 电荷密度：电荷密度： d33d33压电陶瓷的纵向压电常数，压电陶瓷的纵向压电常数， d33 d33 比比d11d11、 d12d12大的多，大的多， 所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高 9.2.2 压电陶瓷（多晶体 ）23压电陶瓷外形9.2.2 压电陶瓷（多晶体 ）24无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）9.2.2 压电陶瓷（多晶体 ）25典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（P

12、VC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。9.2.3 高分子压电压电 材料26聚偏氟乙烯压电材料 聚偏氟乙烯压电效应聚偏氟乙烯压电效应9.2.3 高分子压电压电 材料27高分子压电薄膜及拉制 9.2.3 高分子压电压电 材料28高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆9.2.3 高分子压电压电 材料29可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板9.2.3 高分子压电压电 材料30压电式脚踏报警器9.2.3 高分子压电压电 材料31高分子压电薄膜制作的压电喇

13、叭（逆压电效应）9.2.3 高分子压电压电 材料329.3 压电压电 元件结结构形式 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输 出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的 压电元件粘结在一起。 由于压电材料的电荷是有极性的，因此 接法也有两种。电路并联电路并联+ _+ _U + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + + + + + + + + + + _U _ + + + + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ + + + +

14、+ + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _电路串联电路串联33在上述两种接法中，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 。 而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。 压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失 较大。 为此， 在力传递系统中加入预加力，称预载。这除了消 除低压力使用中的非线性外，还可以消除传感器内外接触表面的 间隙，提高刚度。 特别是，它只有在加预载后才能用压电传感器测量拉力

15、和拉、 压交变力及剪力和扭矩。 9.3 压电压电 元件结结构形式 349.4.1 压电传感器等效电路 由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器， 晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质， 则其电容量为 式中： A压电片的面积； d压电片的厚度； r压电材料的相对介电常数。9.4 等效电电路与测测量电电路35 压电元件电荷压电元件电荷Q Q的开路电压的开路电压U U可等效为电源与电容串联或等效可等效为电源与电容串联或等效 为一个电荷源为一个电荷源Q Q和电容和电容CaCa并联。并联。 电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为 9.4.1 压电传感器等效电路36压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri , 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实