壓電式傳感器

壓電式傳感器第1頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三傳感技術(shù)第2頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.1、壓電效應與壓電材料

一、壓電效應：壓電效應是可逆的，它包括正壓電效應和逆壓電效應。1、正壓電效應

習慣上稱作壓電效應。沿電介質(zhì)的某軸向施加外力（拉力或壓力）作用使其變形時，其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，導致其兩個相對表面同時產(chǎn)生正比于外力大小相等、符號相反的電荷。外力去掉后，又恢復不帶電狀態(tài)。這種將機械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，稱正壓電效應。2、逆壓電效應

如果將電場施加于壓電材料某一軸向，使其產(chǎn)生于正比于電場強度且與電場方向有關(guān)的機械變形，這種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應。第3頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三3、電致伸縮效應

在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)在電場作用下，會由于極化而引起與電場方向無關(guān)，而與電場強度的平方成正比的變形，這種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(xiàn)象，稱為電致伸縮效應。4、縱向壓電效應

當外力方向與生成電勢差方向一致時，稱為縱向壓電效應；5、橫向壓電效

當外力方向與生成電勢差方向垂直時，稱為橫向壓電效應。第4頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三定義：具有壓電特性的電介質(zhì)稱為壓電材料，用壓電材料制成的傳感器叫做壓電傳感器。

壓電傳感器是一種發(fā)電傳感器。

二、壓電材料1、分類：壓電晶體、壓電陶瓷和新型壓電材料。第5頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2、壓電材料的特性

①、轉(zhuǎn)換性能好。具有較大的壓電系數(shù)；②、機械性能好。機械強度高，剛度大，固有頻高且穩(wěn)定，線性范圍寬；③、電性能好。電阻率ρ高，介電系數(shù)ε大，具有良好的低頻特性；④、環(huán)境適應性好。具有溫度、濕度的穩(wěn)定性，工作溫范圍寬，居里點（即壓電材料開始喪失壓電特性的溫度，又稱居里溫度）高；⑤、時間穩(wěn)定性好。壓電特性不隨時間變化而變化。第6頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三3、壓電材料參數(shù)（1）壓電常數(shù)d。這是衡量材料壓電效應強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓力輸出靈敏度。（2）彈性常數(shù)E。壓電材料的彈性常數(shù)（剛度）決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。（3）介電常數(shù)ε。對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)，而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機電耦合系數(shù)。它定義為：在壓電效應中，轉(zhuǎn)換輸出的能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根。它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。（5）電阻。壓電材料的絕緣電阻將減小電荷的泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點。即壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。第7頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三4、壓電晶體介紹

常見的壓電晶體有天然的和人造的石英晶體，還有水溶性晶體。

（1）、石英晶體介紹

①、化學成分：SiO2；②、壓電系數(shù)高。d11=2.31×10-12C/N；③、固有頻率穩(wěn)定；④、溫度性能好，工作溫度范圍寬，在20—2000C范圍內(nèi)，溫度升高10C，壓電系數(shù)僅減小0.016%，居里溫度5730C；⑤、機械性能好，能承受700—1000Kg/Cm2的壓力；⑥、最突出的優(yōu)點是性能穩(wěn)定，絕緣強度好，εr=4.6；⑦、價格昂貴，一般用在標準儀器或要求高的傳感器中；⑧、具有各向異性。因此在設(shè)計石英傳感器時，應根據(jù)不同使用要求，正確使用石英晶片切型。第8頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（2）、其他水溶性晶體介紹

①、屬單斜晶系的有：酒石酸鉀鈉、酒石酸烯二銨；②、屬正斜晶系的有：磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨等；

③、人工合成的鈮酸鋰晶體、居里溫度高達12000C第9頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三5、壓電陶瓷介紹

壓電陶瓷是人造的多晶系壓電材料，具有很高的壓電常數(shù)。常用的壓電陶瓷有：（1）、鈦酸欽（Ba2TiO3），其特點有：①、壓電系數(shù)很高，d33=190，d31=-78，（石英d11=2.31）；②、介電常數(shù)大。εr=120（石英εr=4.6）；③、居里溫度低。1150C（石英5730C）④、溫度穩(wěn)性和機械強度不如石英。第10頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三(2)鋯鈦酸鉛系[P2b（ZrTi）03]（PZT），其特點：①、介電系數(shù)很高，εr=460—3400；②、壓電系數(shù)很大，d31=-100—-270，d33=230；③、居里溫度在3000C以上。

（3）、鈮酸鹽系①、鈮酸鉛（Pb NbO3），居里溫度高達5700C，但εr低；②、鈮酸鉀（KnbO3），居里溫度為4800C，特別適用于10—40MH高頻換能器中。近年來發(fā)現(xiàn)鈮酸鹽系壓電陶瓷在水聲傳感器方面受到重視，適用于深海水聽器中。（4）、鈮鎂酸鉛壓電陶瓷（PMN）

其壓電系數(shù)很高d33=800—900，可做高溫下力傳感器

第11頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6、新型壓電材料（1）壓電半導體。氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）、碲化鎘（CdTe）。（2）有機高分子壓電材料。聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）和尼龍等。第12頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三三、壓電材料的壓電效應機理

1石英晶體結(jié)構(gòu)：天然石英晶體的形狀為六角形、兩端為六棱錐體，因而它有三個座標系。在三個座標系中：如圖6—1所示

Z軸稱為光軸。沿Z軸方向施加作用力，不產(chǎn)生壓電效應。X軸稱為電軸。沿X軸方向施加作用力，產(chǎn)生的壓電效應稱為縱向壓電效應。Y軸稱為機械軸。沿Y軸方向施加作用力，產(chǎn)生的壓電效應稱為橫向壓電效應。第13頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三如果從石英晶體上沿Y軸方向切下一塊晶片，當在X軸方向施加作用力FX時，則在與電軸X垂直的表面上將產(chǎn)生電荷qx

。其大小為：qx=d11Fx

式中d11——晶體X方向受力后的壓電系數(shù)；Fx——在X軸方向施加的作用力。如果在同一石英切片上，沿機械軸Y方向施加作用力Fy，則仍在與X軸垂直方向的表面上產(chǎn)生電荷qy

其大小為：因為所以式中：d12—晶片Y軸方向受力后的壓電系數(shù)

a、b——分別為石英晶片的長度和寬度。第14頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2、石英晶體壓電效應產(chǎn)生的原因（1）、石英晶體未受到外力作用時，如圖6—2（A）示。石英晶體的晶格是正六邊形，正離子Si+和負離子0-正好分布在正六邊形的頂角上，形成了三個互成1200夾角的偶極矩、和，其大小為：第15頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三由于是正六邊形，正負電荷中心重合。因此電偶極矩矢量和等于0。即

故電荷平衡，晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈中性。

（2）、石英晶體受到沿X軸方向的壓力作用，即FX<0，如圖6—2（B）示。石英晶體將在X軸方向產(chǎn)生壓縮變形，正、負離子的相對位置發(fā)生變化。正硅離子①被擠入到負離子②和⑥之間，負離子氧④被擠入到正離子③和⑤之間，此時石英晶體不再是正六邊形了，因而正、負電荷中心不再重合，電偶極矩矢量和在X、Y、Z三個軸方向的分量，分別為：結(jié)果在沿X軸正向垂直表面上出現(xiàn)負電荷，其相對表面出現(xiàn)正電荷。第16頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

（3）、石英晶體受到沿X軸方向的拉力作用，即FX>0，如圖6—2（C）示。石英晶體便在X軸方向上產(chǎn)生拉伸變形，正、負離子發(fā)生相對變化。正離子①被拉得遠離負離子②和⑥，負離子④被拉得遠離正離子③和⑤，此時晶體不再是正六邊形，因而正、負離子電荷不再重合。電偶極矩矢量在X、Y、Z三個軸方向的分量，分別為：結(jié)果在沿X軸正向垂直表面上出現(xiàn)正電荷，其相反表面出現(xiàn)負電荷

（4）、石英晶體受到沿Y軸方向的壓力作用，F(xiàn)Y<0，如圖6—2（D）示。結(jié)果與石英晶體受到沿X軸方向的拉力作用時相同；第17頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三（5）、石英晶體受到沿Y軸方向的拉力作用，F(xiàn)y>0，如圖6—2（E）示。其結(jié)果與石英晶體受到沿X軸方向的壓力作用時相同；

（6）、石英晶體受到Z軸方向的作用力，不管是拉力還是壓力，如圖6—2（F）示。由于在X軸和Y軸方向均未受到作用力，因而石英晶體中的正、負離子的相對位置并未發(fā)生變化，因而晶格保持正六邊形不變，其正、負電荷的中心始終是重合的，因此電偶極矩的矢量和等于0。即

因此沿Z軸方向施加作用力，不管是拉力或壓力，石英晶體均不產(chǎn)生電效應，因而沒有電荷出現(xiàn)。

第18頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)論：1、一般定義：F<0為壓力，F(xiàn)>0為拉力；2、Fx

<0和Fy

>0時的情形相同。在X軸正向垂直表面上出現(xiàn)負電荷，相對表面出現(xiàn)正電荷；如圖7—3（B）和（E）示3、Fx>0和FY<0時的情形相同。在X軸正向垂直表面上出現(xiàn)正電荷，相對表面出現(xiàn)負電荷；如圖6-3（C）和（D）示：4、沿X施加作用力（Fx>0或Fx<0），在X軸垂直表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象稱為縱向壓電效應；5、沿Y施加作用力（Fy>0或Fy<0），在X軸垂直表面出現(xiàn)電荷的現(xiàn)象稱為橫向壓電效應；6、沿Z軸施加作用力（Fz>0或Fz<0），不產(chǎn)生壓電效應；7、縱向壓電效應——qx=d1nFx

橫向壓電效應——qx大小與晶片幾何尺寸無關(guān)；qy大小與晶片幾何尺寸有關(guān)；qx、qy的符號由受力方向（拉力或壓力）決定。第19頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

（二）壓電陶瓷

1、壓電陶瓷的結(jié)構(gòu)：壓電陶瓷是人造多晶體，其壓電原理與石英晶體完全不同。其結(jié)構(gòu)為多晶體，如圖64所示。內(nèi)部存在許多電疇，就象磁性材料內(nèi)部存在磁疇樣。壓電陶瓷剛燒結(jié)成時，其內(nèi)部各晶粒中的電疇的自發(fā)極化方向是雜亂無章、相互抵消的。

第20頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2、壓電陶瓷的極化

極化的目的是設(shè)法使壓電陶瓷內(nèi)部雜亂無章相互抵消的電疇方向取向一致。在燒結(jié)后的壓電陶瓷上施加一外磁場E，在電場作用下，電疇的自發(fā)極化方向趨向電場，方向一致。極化后壓電陶瓷有一定的極化強度。當外磁場去掉后，各電的極化方向基本上保持與原電場方向一致，保留一些極化強度。由于存在極化強度，在壓電陶瓷極化方向兩端便出現(xiàn)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷極化方向兩端很快吸附一層來自外界的自由電荷。在無外力作用時，束縛電荷和自由電荷在數(shù)量上相等，極性相反，對外不顯電性。如圖6—5（a）所示。第21頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三3、壓電陶瓷的壓電效應

如果在壓電子陶瓷片上施加一個與極化方向平行的壓力（F<0），陶瓷片會發(fā)生變形。片內(nèi)束縛電荷的距離變小，電疇發(fā)生偏轉(zhuǎn)，極化強度變?nèi)?，吸附在其表面的部分自由電子被釋放而呈現(xiàn)放電現(xiàn)象。陶瓷壓電效應釋放的電荷為：q=d33Fd33—壓電陶瓷的壓電系數(shù)。當壓力去掉后，陶瓷片恢復原狀，片內(nèi)正負電荷的距離變大，極化強度又更大，因而極化方向表面又吸附一部分自由電荷出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械能轉(zhuǎn)換成電能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的正壓電效應。同樣，在壓電陶瓷極化方向加一個電場，如果外加電場方向與極化方向一致，便會產(chǎn)生拉伸變形；如果電場方向與極化方向相反，就會產(chǎn)生壓縮變形。這種由電能轉(zhuǎn)為機械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應。第22頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6、2壓電傳感器的等效電路和測量電路一、壓電晶片的連接方式：制作壓電傳感器時，可采用兩片或兩片以上具有相同性能的壓電晶片粘連在一起使用。由于壓電晶片有電荷極性，故連接方式有兩種：串聯(lián)式與并聯(lián)式。第23頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1：串聯(lián)式接法：如圖6—6（A）所示：上正下負（上+下-），中間為負、正，所以相當于兩個晶片串聯(lián)在一起。輸出電壓為單片的2倍，輸出電荷等于單片電荷；輸出電容為單電容的。即：

結(jié)論1、串聯(lián)式接法輸出電壓高，輸出電容小，適宜于以電壓為輸出量和測量電路輸入阻抗很高的地方；2、并聯(lián)式接法輸出電荷大，輸出電容大，故時間常數(shù)大。適宜于測量緩變信號并以電荷為輸出信號的地方

2、并聯(lián)式接法：如圖6—6（B）所示：上正下正（上+下+），中間為負，兩個晶片并聯(lián)，輸出電壓為單片電壓，輸出電荷為單片2倍；輸出電容為單片2倍。即第24頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三二、壓電傳感器的等效電路：從功能上講，壓電傳感器相當于一個電荷源；從性能上講，壓電傳感器相當于一個有源電容器，其電容量為：h—為壓電晶片厚度，壓電傳感器的等效電路有兩種

1、等效為一個與電容串聯(lián)的電壓源。開始時，其輸出電壓和電壓靈敏度分別為：F—作用在壓電晶片上的外力。但是，只有當在外電路負載無窮大，內(nèi)部無漏電時，受力產(chǎn)生的電壓才能長期不變。而實際上，負載不可能無窮大，則電路就要以時間常數(shù)τ=RLCa按指數(shù)規(guī)律放電。因此，對于測量靜態(tài)信號以及低頻準靜態(tài)測量時極為不利，必然會帶來測量誤差。所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補充，以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器只宜作動態(tài)測量。第25頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三2、等效為一個與電荷源與電容器并聯(lián)電路開路時，輸出端電荷和電荷靈敏度為：q=UaCa

Ua—極板電荷形成的電壓，

Kv與Kq的關(guān)系：

三、壓電傳感器在實際測量系統(tǒng)中的等效路上述等效電路及其輸出，只是在壓電傳感器理想絕緣、無泄漏，輸出端開路條件下才成立。而實際上總利用電纜將壓電傳感器接入測量電路或儀器。因此，必須考慮到連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci，加上傳感受器的內(nèi)部存在匯漏電阻Ra，因此實際的等效電路如圖6—8（A）和（B）所示：第26頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三四、壓電傳感器的測量電路由于壓電傳感器是一個有源電容器，就必然存在與電容傳感器相同的弱點—高內(nèi)阻，小功率，因此必須加以解決。第一、由于輸出功率小，因此必須進行前置放大，且要求放大倍數(shù)大，靈敏度高，輸入阻抗Ri大；第二、由于高內(nèi)阻，使得壓電傳感器難以直接使用一般放大器，必須使用前置阻抗變換?？傊痪湓?，壓電傳感器的輸出端必須先接入一個輸入阻抗很高的前置放大器，再接一般放大器。由于壓電傳感器既可以等效為一個與電容串聯(lián)的電壓源，又可以等效為與電容并聯(lián)的電荷源，所以前置放大器也有兩種：電壓放大器和電荷放大器，它們必須具備兩種功能：信號放大和阻抗變換。傳感技術(shù)第27頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1、電壓放大器（又稱阻抗變換器）設(shè)

壓電傳感器的開路電壓如果壓電器件受到沿電軸方向施加的交變力F為則壓電傳感器輸出電壓為：第28頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三式中壓電回路的輸出特性；

為壓電回路輸出電壓幅值，亦即前置放大器的輸入電壓幅值。稱為輸入電壓與作用力之間的相位差。壓電回路輸出電壓靈敏度為：

其幅值：

第29頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三

在理想情況下：Ra和Ri無限大，故R=Ra//Ri也無限大，因此：（ωR）2（Ca+Ci+Cc）2>>1故稱為理想情況下壓電回路輸出電壓或前置放大器的輸入電壓。則

令

則

式中：

稱為測量回路的固有頻率。相角

第30頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三電壓幅值比、相角φ與頻率之間的關(guān)系為圖6—10所示。由圖知①、當ω=0時，即作用于壓電傳感器的力F為靜態(tài)力。前置放大器的輸入電壓Uim=0，這是由于電荷會通過放大器的輸入電阻Ri和電壓器件本身漏電阻Ra放掉。所以壓電傳感器不適用于靜態(tài)測量。②、當，前置放大器輸入電壓Uim隨頻率變化，但變化不太大；③、當以后，壓電器件的輸出電壓Uim與作用力的頻率ω無關(guān)。說明壓電傳感器的高頻響應特性好。即輸出電壓不受頻率限止，所以壓電傳感器特別適用于高頻交變力的測量；④、由于采用電壓放大器的壓電傳感器的壓電靈敏度受電纜分布電容C的影響。即因此，在使用壓電傳感器時要注意：一要引線電纜不能太長，否則會降低電壓靈敏度K；二要不能隨便改變引線電纜長度，否則電壓靈敏度會改變。第31頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三電荷放大器是一個有反饋電容的高增益運算放大器，當略去R=Ra//Ri后，電路如圖6—11所示。其中A為運算增益。由于運算放大器的輸入端幾乎無分流，電荷q只對反饋電容Cf充電，充電電壓接近放大器的輸出電壓為：

當A>>1，且滿足時，式中：U0—電荷放大器輸出電壓；Ucf—反饋電容Cf兩端電壓。2、電荷放大器：由上式可見：電荷放大器的輸出電壓U0與電纜電容Cc無關(guān)，且與q成正比。這是電荷放大器的最大特點。因此使用較多。但最初因運算放大器價格昂貴，應用受到限制；隨著集成運算放大器價格降低，目前生產(chǎn)的壓電傳感器越來越多使用電荷放大器。電壓放大器電路簡單元件少，價格便宜，工作可靠，但引線電纜不宜太長。提請?zhí)貏e注意：這兩種放大器電路的輸入端都要加過載保護電路，防止傳感器過載時產(chǎn)生過高的輸出電壓。第32頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三6.3壓電式傳感器的應用一、壓電式測力傳感器:單向力傳感器：如圖6—12所示：兩片壓電晶片沿電軸方向疊在一起，采用并聯(lián)接法，中間為片形電極（負極），它收集負電荷。底座與傳力蓋形成正極，絕緣套使正、負極隔離。壓電式測力傳感器由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及底座等組成。其中又分為測單向力、雙向力和三向力傳感器。被測力F通過上蓋使壓電晶片沿電軸方向受壓力作用，便使晶片產(chǎn)生電荷，負電荷由片形電極（負極）輸出，正電荷與上蓋和底座連接。這種傳感器有以下特點：①、體積小，重量輕（僅10g）；②、固有頻率高（約50—60KHz）；③、可檢測高達5000N（變化頻率少于20KHz）的動態(tài)力，④、分辯率高，可達10-3N。第33頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三二、測表面粗糙度

傳感器由驅(qū)動器拖動其觸針在工件表面以恒速滑行，工件表面的起伏不平使觸針上下移動，使壓電晶片產(chǎn)生變形，壓電晶片表面就會出現(xiàn)電荷，由

引線輸出的電信號與觸針上下移動量成正比

三、壓電引爆

原理如圖7—14所示：平時兩根線是開路的，沒有電流流過，也不產(chǎn)生短路打火，故電雷管不爆炸。當用一個力F撞擊壓電晶體，壓電晶體便產(chǎn)生電荷，從而使兩根線發(fā)生短路放電而產(chǎn)生火花，導致電雷管爆炸

第34頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三原理如圖7—15所示：當使用者將開關(guān)往里壓時，打開氣閥，再旋轉(zhuǎn)開關(guān)，使彈簧往左壓，這時彈簧有一個很大的力，撞擊壓電晶體，使壓電晶體產(chǎn)生電荷，經(jīng)高壓線至燃燒盤產(chǎn)生高壓放電，產(chǎn)生火花，導致燃燒盤的煤氣點火燃燒。其他還有壓電式壓力傳感器、壓電式加速度傳感器以及測微重物的壓電晶體生物傳感器等等。四、煤氣灶電子點火裝置

第35頁，共40頁，2023年，2月20日，星期三1：什么叫壓電效應？什么叫正壓電效應？什么叫逆壓電效應？答：壓電效應是正壓電效應和逆壓電效應的總稱。給晶體施加外力，晶體表面便產(chǎn)生正比于外力大小的電勢，或者在電材料上施加電場，便產(chǎn)生于正比于電場強度的機械變形，這種現(xiàn)象便稱為壓電效應。正壓電效應，習慣上稱為壓電效應。沿電介質(zhì)的某軸向施加外力作用使其變形時，其內(nèi)部產(chǎn)生變形現(xiàn)象，導致其兩個相對表面同時產(chǎn)生正比于外力大小的大小相等、方向相反的電荷。外力去掉后，又恢復不帶電狀態(tài)。這種將機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應。逆壓電效應是：如果將