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1、第第6章章 压电式传感器压电式传感器等效等效电路及路及测量量电路路1.2第第6章章 压电式传感器压电式传感器压电效应及材料压电效应及材料6.16.26.3压电传感器的应用压电传感器的应用医用传感器医用传感器第一第一节 压电效效应 某某些些电电介介质质, , 当当沿沿着着一一定定方方向向对对其其施施力力而而使使它它变变形形时时, , 其其内内部部就就产产生生极极化化现现象象（内内部部正正负负电电荷荷中中心心相相对对位位移移）, , 同同时时在在它它的的两两个个表表面面上上便便产产生生符符号号相相反反的的电电荷荷, , 当当外外力力去去掉掉后后, , 其其又又重重新新恢恢复复到到不不带带电电状状态
2、态， 这这种种现现象象称称压压电电效效应应。当当作作用用力力方方向向改改变变时时, , 电电荷荷的的极极性性也也随随之之改改变变。 这这种种机机械械能能转转换换为为电能的现象电能的现象, , 称为称为“正压电效应正压电效应” ” 。v压电效应压电效应医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器 当当在在电电介介质质极极化化方方向向施施加加电电场场, , 这这些些电电介介质质也也会会产产生生机机械械变变形形；在在撤撤掉掉外外加加电电场场时时，机机械械变变形形也也随随之之消消失失。这这种种电电能能转转换换为为机机械械能能的的现现象象, , 称
3、称为为“逆逆压电效应压电效应”（电致伸缩效应电致伸缩效应）。）。具具有有压压电电效效应应的的材材料料称称为为压压电电材材料料, , 压压电电材材料料能能实实现机现机电能量的相互转换。电能量的相互转换。医用传感器医用传感器v石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应石英晶体是属于六角晶石英晶体是属于六角晶系，有三个晶轴：系，有三个晶轴：Z轴又称光轴轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴轴又称电轴，它通过六，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。它垂直于两个相对的晶柱棱面。 医
4、用传感器医用传感器从从晶晶体体上上沿沿XYZ轴轴线线切切下下一一片片平平行行六六面面体体的的薄薄片片称称为为晶晶体体切切片片。当当沿沿着着X轴轴对对压压电电晶晶片片施施加加力力Fx时时，晶晶片片将将产产生生厚度变形，并在垂直于厚度变形，并在垂直于X轴的表面上产生电荷轴的表面上产生电荷Qx，大小为，大小为极间电压为极间电压为式中式中: d11x方向受力的压电系数；方向受力的压电系数；Cx晶片电容晶片电容医用传感器医用传感器 当晶片受到当晶片受到X 向的压力作用时，向的压力作用时，Qx 与作用力与作用力Fx成正成正比比，而与晶片的，而与晶片的几何尺寸无关几何尺寸无关。如果作用力。如果作用力Fx改为
5、改为拉力时，则在垂直于拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，轴的平面上仍出现等量电荷，但但极性相反极性相反。 把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵纵向压电效应向压电效应。医用传感器医用传感器当当沿沿着着y轴轴对对压压电电晶晶片片施施加加力力Fy时时，晶晶片片将将产产生生长长度度变变形形，电荷电荷 Qy仍然出现在于仍然出现在于X轴垂直的表面上轴垂直的表面上，大小为，大小为 式中式中: d12y方向受力的压电系方向受力的压电系数，根据轴对称条件，数，根据轴对称条件， d12 =- -d11 当晶片受到当晶片受到y 向的压力作用时，向的压
6、力作用时，Qy 与晶片的与晶片的几何尺寸有关几何尺寸有关。 把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压横向压电效应电效应。医用传感器医用传感器 当沿当沿光轴方向光轴方向对石英晶体施加作用力对石英晶体施加作用力Fz时，晶时，晶体表面体表面没有电荷出现没有电荷出现。医用传感器医用传感器 压电效应的物理解释压电效应的物理解释 石石英英晶晶体体SiO2，3个个硅硅离离子子Si4+离离子子, 6个个氧氧离离子子O2-。两两两两成成对对。微微观观分分子子结结构构为为一一个个正正六六边边形形。垂垂直直于于X轴轴端端面面有有无无数数个个此此分分子子结结构
7、。构。医用传感器医用传感器（1）未受外力作用时）未受外力作用时, 正、正、负离子正好分布在正六边形负离子正好分布在正六边形的顶角上的顶角上, 形成三个互成形成三个互成120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。 如图如图 a所示。所示。P1+ P2+P3=0。正负电荷中正负电荷中心重合心重合，晶体垂直，晶体垂直X轴表面轴表面不不产生电荷产生电荷。呈中性呈中性。医用传感器医用传感器（2）受受x轴轴方方向向的的压压力力作作用用时时, 晶晶体体沿沿x方方向向将将产产生生压压缩缩变变形形, 正正负负离离子子的的相相对对位位置置也也随随之之变变动动。如如图图所所示示, 此此时时正正负负电电荷荷
8、重重心心不不再再重重合合, 电电偶偶极极矩矩在在x方方向向上上的的分分量量, 即（即（P1+P2+P3）0 。当晶体沿当晶体沿y方向方向受到作用力受到作用力时，时，电荷将出现在电荷将出现在x轴方向轴方向上上, 在在y轴和轴和z轴方向上不出轴方向上不出现电荷。现电荷。医用传感器医用传感器（4）当晶体在）当晶体在z方向方向受到外力时，晶体在受到外力时，晶体在x轴轴和和y轴方向上的变形相同，轴方向上的变形相同，正负电荷中心重正负电荷中心重合合。因此沿。因此沿 z 轴方向施加外力时，压电晶轴方向施加外力时，压电晶体体不产生压电效应不产生压电效应。医用传感器医用传感器石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如
9、下图所示。 晶片受力方向与电荷极性的关系晶片受力方向与电荷极性的关系 + + + + + + + + + + ( (a a) )F Fx xx x- - - - - - - - - - F Fx x( (b b) )x x+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - x xF Fy y( (c c) )+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - F Fy y( (d d) )x x+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - 医用传感器医用传感器 当晶片受到当晶片受到x方向的压力作用时，方向
10、的压力作用时，qx只与作用力只与作用力F Fx成成正比正比，而与晶片的而与晶片的几何尺寸无关几何尺寸无关； 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几何尺寸有关的尺寸有关的； 石英晶体石英晶体不是在任何方向不是在任何方向都存在压电效应的；都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在在逆压电效逆压电效应；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（或电场强度）之间皆呈线性关系呈线性关系。医用传感
11、器医用传感器 压压电电陶陶瓷瓷是是人人工工多多晶晶铁铁电电体体，原原始始的的压压电电陶陶瓷瓷呈呈现现各各向向同同性性不不具具有有压压电电性性。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压电电陶陶瓷瓷呈呈中中性性，不不具具有有压电性质压电性质。 a)极化前 b)极化 c)极化后v压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应医用传感器医用传感器由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0 0，即在陶瓷的
12、，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷一端出现正束缚电荷，另一端出现负束另一端出现负束缚电荷缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上。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吸附了一层来自外界的自由电荷自由电荷。这些自由电荷与陶。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等符号相反而数量相等。所以整体上。所以整体上表现为表现为电中性电中性。 自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图医用传感器医用传感器如如果果在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的压压力力F，如如图图，陶陶瓷瓷片片将将产产生生压压
13、缩缩形形变变，片片内内的的正正、负负束束缚缚电电荷荷之之间间的的距距离离变变小小，极极化化强强度度也也变变小小。因因此此，原原来来吸吸附附在在电电极极上上的的自自由电荷，有一部分被由电荷，有一部分被释放释放，而出现放电荷现象。，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之 极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F 间的间的距离变大距离变大，极化强度也变，极化强度也变大，因此电极上又大，因此电极上又吸附吸附一部分一部分自由电荷而出现充电现象。自由电荷而出现充电现象。 这种由机械能转变为电能的现这
14、种由机械能转变为电能的现象，就是象，就是正压电效应正压电效应。 医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器同同样样，若若在在陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向相相同同的的电电场场，如如图图，由由于于电电场场的的方方向向与与极极化化强强度度的的方方向向相相同同，所所以以电电场场的的作作用用使使极极化化强强度度增增大大。这这时时，陶陶瓷瓷片片内内的的正正负负束束缚缚电电荷荷之之间间距距离也增大离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变伸长形变。同同理理，如如果果外外加加电电场场的的方方向向与与极极化化方方向向相相反反，则则陶陶瓷瓷片片沿沿极化方向产生极
15、化方向产生缩短形变缩短形变。 极化方向电场方向 这种将电能转变为机械能这种将电能转变为机械能的现象，就是的现象，就是逆压电效应逆压电效应。医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器种类种类：n压电单晶体压电单晶体，如石英等；，如石英等；n压电陶瓷压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；，如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求：对压电材料特性要求： 转换性能转换性能。要求具有较大压电常数。要求具有较大压电常数。 机机械械性性能能。希希望望它它的的机机械械强强度度高高、刚刚度度大大，以以期期获获得得宽宽的的线线性范围和高的固有振动频率。性
16、范围和高的固有振动频率。 电电性性能能。希希望望具具有有高高电电阻阻率率和和大大介介电电常常数数，以以减减弱弱外外部部分分布布电容的影响并获得良好的低频特性。电容的影响并获得良好的低频特性。 环环境境适适应应性性强强。温温度度和和湿湿度度稳稳定定性性要要好好，要要求求具具有有较较高高的的居居里点，获得较宽的工作温度范围。里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。 v压电材料压电材料医用传感器医用传感器一、一、等效电路等效电路 压压电电传传感感器器在在受受外外力力作作用用时时，在在两两个个电电极极表表面面将将要要聚聚集集电电荷荷，且
17、且电电荷荷量量相相等等，极极性性相相反反。这这时时它它相相当当于于一一个个以以压压电电材材料为电介质的电容器，其电容量为料为电介质的电容器，其电容量为 式中：式中：0为真空介电常数；为真空介电常数；为压电材料的相对介电常数；为压电材料的相对介电常数；d 为压电元件的厚度；为压电元件的厚度；A 为压电元件极板面积。为压电元件极板面积。 第二第二节 等效等效电路和路和测量量电路路医用传感器医用传感器因因此此可可以以把把压压电电式式传传感感器器等等效效成成一一个个与与电电容容相相并并联联的的电电荷荷源源，如如图图a所所示示，也也可可以以等等效效为为一一个个电电压压源源，如如图图b所所示。示。 a)电
18、荷源 b)电压源 压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路 医用传感器医用传感器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 压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容电缆电容CC，前置放大器的，前置放大器的输入电阻输入电阻Ri和和输入电容输入电容Ci以及传感器的以及传感器的绝缘电阻绝缘电阻Ra。压电传感器完整的等效电路可表示成图所。压电传感器完整的等效电路可表示成图所示。示。医用传感器医用传感器二、二、测量电路测量电路 压压电电传传感感器器的的内内阻阻抗抗很很高高，而而输输出出的的信信号号
19、微微弱，因此一般不能直接显示和记录。弱，因此一般不能直接显示和记录。 压电传感器要求测量电路的前级输入端要有压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的测量误差变大。压电传感器的前置放大器前置放大器有两个有两个用处：用处： 一是把传感器的一是把传感器的高阻抗输出高阻抗输出变换为变换为低阻抗输低阻抗输出出； 二是把传感器的二是把传感器的微弱信号进行放大微弱信号进行放大。 医用传感器医用传感器（一）（一） 电压放大器电压放大器 a) b)压电传感器接电压放大器的等效电路压电传感器接电压放大器的等
20、效电路 压电传感器接电压放大器的等效电路如图压电传感器接电压放大器的等效电路如图a所示。图所示。图b是简化后的等效电路，其中，是简化后的等效电路，其中，Ui为放大器输入电压；为放大器输入电压；C = CC+Ci； ；Us=Q/Cs。医用传感器医用传感器 如如果果压压电电传传感感器器受受力力为为F = Fmsint 则则在在压压电电元元件件上上产产生的电压为生的电压为 式中式中 Um 压电元件输出电压幅值压电元件输出电压幅值UmdFm/Cs d 压电系数。压电系数。医用传感器医用传感器 而在放大器输入端形成的电压为而在放大器输入端形成的电压为 整理得整理得医用传感器医用传感器 Ui的幅值的幅值U
21、im为为 输入电压与作用力之间的相位差为输入电压与作用力之间的相位差为 医用传感器医用传感器当当作作用用于于压压电电元元件件的的力力为为静静态态力力（=0）时时， 前前置置放放大大器器的的输输出出电电压压等等于于零零， 因因为为电电荷荷会会通通过过放放大大器器输输入入电电阻阻和和传传感感器器本本身身漏漏电电阻阻漏漏掉掉， 所所以以压压电电传传感感器不能用于静态力的测量器不能用于静态力的测量。 医用传感器医用传感器 当当 1 1时，放大器的输入电压为时，放大器的输入电压为由上式可以看出放大器输入电压幅度与由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关被测频率无关，当，当改变连接传感器与前置放大器
22、的改变连接传感器与前置放大器的电缆长度电缆长度时，时，Cc将改变将改变，从而引起放大器的从而引起放大器的输出电压也发生变化输出电压也发生变化。在设计时，通常。在设计时，通常把电缆长度定为一常数，使用时如要把电缆长度定为一常数，使用时如要改变电缆长度改变电缆长度，则必，则必须须重新校正电压灵敏度值重新校正电压灵敏度值。电压灵敏度电压灵敏度医用传感器医用传感器电电荷荷放放大大器器是是一一个个具具有有深深度度负负反反馈馈的的高高增增益益放放大大器器。根根据据理理想想运运放的特征：放的特征：（二）（二） 电荷放大器电荷放大器Cf、Rf等等效效到到输输入入端端时时，电电容容Cf将将增增大大( (1A)
23、)倍倍。电电导导1Rf也增大了也增大了( (1A) )倍。倍。医用传感器医用传感器将反馈电容和反馈电阻等效到输入端后，等效电路如图：将反馈电容和反馈电阻等效到输入端后，等效电路如图：其中其中则电压则电压电压幅值电压幅值当当RC1时，时，医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器如果前置放大器的开环放大倍数如果前置放大器的开环放大倍数A足够大，则足够大，则那么，经电荷放大器放大后的输出电压的幅值近似为那么，经电荷放大器放大后的输出电压的幅值近似为 由式中可知，电荷放大器的输出电压仅与由式中可知，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电传感器产生的电荷量荷量及及放大器的反馈电容放大器的反馈电容有关，电
24、缆电容等其他因素对灵有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。敏度的影响可以忽略不计。医用传感器医用传感器 在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组在实际应用中，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片粘结在一起。粘结的方法有两种，即上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串并联和串联联。（三）（三） 压电传感器的级联方式压电传感器的级联方式医用传感器医用传感器并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，并联方法两片压电晶片的负电
25、荷集中在中间电极上，并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的正电荷集中在两侧的电极上，传感器的正电荷集中在两侧的电极上，传感器的正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大电容量大电容量大电容量大、输输输输出电荷量大出电荷量大出电荷量大出电荷量大、时间常数也大时间常数也大时间常数也大时间常数也大，故这种传感器适用于测，故这种传感器适用于测，故这种传感器适用于测，故这种传感器适用于测量量量量缓变信号缓变信号缓变信号缓变信号及及及及电荷量输出信号电荷量输出信号电荷量输出信号电荷量输出信号。( ( ( (a a a a) ) ) )并联并联并联并联+ + + +
26、医用传感器医用传感器串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的传感器本身的传感器本身的传感器本身的电容量小电容量小电容量小电容量小、响应快响应快响应快响应快、输出电压大输出电压大输出电压大输出电压大，故这，故这，故这，故这种传感器适用于测量以种传感器适用于测量以种传感器适用于测量以种传感器适用于测量以电压作输出的信号电压作输出的信号电压作输出的信号电压作输出的信号和和和和频率较高频率较高频率较高频率较高的信号的信号的信号的信号。 (
27、( ( (b b b b) ) ) )串联串联串联串联+ + +医用传感器医用传感器医用传感器医用传感器 转动凸轮开关转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推动冲击块，利用凸轮凸出部分推动冲击块3，并压，并压缩冲击块后的弹簧缩冲击块后的弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件由于弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击一个冲击力，便在压电元力，便在压电元 件两端产生高压，件两端产生高压， 并从中间电极并从中间电极5输输 出高压，产生电火出高压，产生电火 花点燃气体。花点燃气体。 第三第三节 压电传感器的感器的应用用（一）（一） 压电陶瓷点火器压电陶瓷点火器医用传感器医用传感器（二）（二） PVDF压电传感器压电传感器 用于检测婴儿呼吸暂停。婴儿呼吸时由于膈肌的运动，引用于检测婴儿呼吸暂停。婴儿呼吸时由于膈肌的运动，引起婴儿体重和重心的变化。而大面积传感器对这种重心的起婴儿体重和重心的变化。而大面积传感器对这种重心的移动十分敏感，移动十分敏感， 这样根据传感这样根据传感 器的输出信号器的输出信号 可以得到关于可以得到关于 婴儿呼吸状况婴儿呼吸状况 的重要信息。的重要信息。医用传感器医用传感器作业：作业：P83 1医用传感器医用传感器
