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1、第5章 压电式传感器 黄文涛,传感与测试技术,5.1 压电效应与压电材料 5.2 压电传感器测量电路 5.3 压电传感器的应用,内容提要,学习目标,掌握石英晶体的压电效应原理；理解压电传感器的测量电路原理；了解常用压电式传感器应用。,本章总体要求,概述,压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，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、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
2、、可靠性、稳定性高。,某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。,1.压电效应,5.1 压电效应与压电材料,逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定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的现象。,压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述，为：,5.1 压电效应与压电材料,压电方程和压电常数,5.1 压电效应与压电材料,式中，q1、q2、q3垂直于x轴、y轴、z轴的平面上的电荷面密度； 1、2、3沿着x轴、y轴、z轴的单
3、向应力； 4、5、6垂直于x轴、y轴、z轴的平面内的剪切应力； dij(i1，2，3，j1，2，3，4，5，6)压电常数。,天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴ZZ称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的XX轴称为电轴；与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。,Z,X,Y,(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系,Z,Y,X,通常把沿电轴XX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YY方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴ZZ方向受力则不产生压电效应。,2.石英晶
4、体的压电效应,5.1 压电效应与压电材料,天然形成的石英晶体外形,5.1 压电效应与压电材料,从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。,Z,Y,X,b,l,石英晶体切片,h,双面镀银并封装,5.1 压电效应与压电材料,(b),(a),+,+,-,-,-,Y,X,X,Y,硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影,+,石英晶体产生压电压电效应的机理,5.1 压电效应与压电材料,石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z
5、平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“”代表Si4+，“”代表2O2-。,当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P30,Y,+,+,+,-,-,-,X,(a) FX=0,P1,P2,P3,FX,X,Y,+,+,+,+,FX,(b) FX0,Y,+,+,+,-,-,X,-,+,+,+,FX,FX,P2,P3,P1,+,（P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3
6、）Z=0,当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，其变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为,在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。,5.1 压电效应与压电材料,2018/10/20,13,5.1 压电效应与压电材料,石英晶体压电常数,5.1 压电效应与压电材料,石英晶体独立的压电常数只有两个，且d11最大,由上述可知：无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷之间呈线性关系；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；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。,5.1 压电效应与压电材料,压电陶瓷的压电效应,5.1 压电效应与压电材料,3.压电陶瓷,压电陶
7、瓷压电效应产生的机理压电陶瓷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，因此原始压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。经极化处理（一定温度下加以强电场）后，这些小电畴极性转到接近电场方向，产生了压电效应。,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,5.1 压电效应与压电材料,2018/10/20,18,5.1 压电效应与压电材料,4.压电材料的主要特性参数,压电系数：反映压电材料
8、压电效应的强弱，直接关系到压电传感器输出的灵敏度。弹性系数：反映压电材料的固有频率和动态特性。机电耦合系数：反映压电材料机电能量转换的效率。居里点：压电材料开始丧失压电特性时的温度。要求：作为敏感元件对压电材料的要求是：具有大的压电系数；机械强度高，刚度大，以便获得高的固有频率；高电阻率和大介电常数；高的居里点；温度、湿度的时间稳定性好。,5.1 压电效应与压电材料,5.压电材料的分类,分为三大类：压电晶体(单晶体)，压电陶瓷(多晶体)和新型压电材料（包括压电半导体和高分子压电材料）,5.1 压电效应与压电材料,1)压电晶体,（1）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
9、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。,1.00,0.99,0.98,0.97,0.96,0.95,20,40,60,80,100,120,140,160,180,200,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,6,5,4,3,2,1,0,100,200,300,400,500,600,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,5.1 压电效应与压电材
10、料,石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。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、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。,(2)水溶性压电晶体属于单斜晶系的有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H2O)，酒石酸乙烯二铵(C4H4N2O6，简称EDT)，酒石酸二钾(K2C2H4O6H2O，简称DKT)，硫酸锂(Li2SO4H2O)。属于正方晶系的有磷酸二氢钾(KH2PO4，简称KDP)，磷酸二氢
11、氨(NH4H2PO4，简称ADP)，砷酸二氢钾(KH2AsO4，简称KDA)，砷酸二氢氨(NH4H2AsO4，简称ADA)。,5.1 压电效应与压电材料,2)压电陶瓷 （1) 钛酸钡压电陶瓷-二元系陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。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50倍）。不足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。,(2) 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）-三元系陶瓷锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度
12、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。,5.1 压电效应与压电材料,（1）高分子压电材料聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，
13、并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2PZT)。,5.1 压电效应与压电材料,（2）压电半导体材料如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。,3)新型压电材料,高分子压电薄膜及拉制,5.1 压电效应与压电材料,高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆,5.1 压电效应与压电材料,可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板,压电式脚踏报警器,5.1 压电效应与压电材料,5.1 压电效应与压电材料,7.压电
14、元件的基本变形方式,并联:,在这两种接法中，并联接法输出电荷量大、本身电容大、时间常数大，适宜用测量慢信号并且以电荷作为输出量的情况。而串联接法输出电压大、电容小，适宜用于以电压作为输出信号、并且测量电路输入阻抗很高的场合。,5.1 压电效应与压电材料,2018/10/20,30,5.1 压电效应与压电材料,当压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为,Q,Q,电极,压电晶体,Ca,(b),(a),压电传感器的等效电路,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈
15、现一定的电压，其大小为,等效电路,5.2 压电式传感器的测量电路,压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源Q和一个电容器Ca的并联电路，如图(b)。,压电传感器工作时，需与二次仪表配套使用，等效电路如图,5.2 压电式传感器的测量电路,Cc 传感器电缆的等效电容； Ri 前置放大器的输入电阻； Ci 前置放大器输入电容； Ra 传感器的绝缘电阻；,5.2 压电式传感器的测量电路,压电式传感器的灵敏度有两种定义： （1）电压灵敏度，Ku=UF，它表示单位力所产生的电压； （2）电荷灵敏度，Kq=QF，它表示单位力所产生的电荷。 它们之间的关系为：,5.2 压电式传感器的测量电路,压电式传感器的前置放大器有两个作用： 把压电式传感器的高阻抗输入变换成低阻抗输出； 放大压电式传感器输出的弱信号。前置放大器形式： 电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比； 电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。,
