壓電式傳感器介紹和學習

關(guān)于壓電式傳感器介紹和學習第1頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

壓電式傳感器是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器。它可以測量最終能變換為力的各種物理量，例如力、壓力、加速度等。壓電式傳感器具有體積小、重量輕、頻帶寬、靈敏度高等優(yōu)點。近年來壓電測試技術(shù)發(fā)展迅速，特別是電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使壓電式傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。第2頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)壓電效應(yīng)

某些晶體，在一定方向受到外力作用時，內(nèi)部將產(chǎn)生極化現(xiàn)象，相應(yīng)地在晶體的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力作用除去時，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)很多，如石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體等。

第3頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)壓電材料一、石英晶體

石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。圖5－2是天然石英晶體的外形圖，它為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有三個晶軸：Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致；X軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸；y軸又稱機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。

a)b)c)圖5－2石英晶體的外形、坐標軸及切片第4頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

從晶體上沿XYZ軸線切下一片平行六面體的薄片稱為晶體切片。當沿著X軸對壓電晶片施加力時，將在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)。沿著y軸施加力的作用時，電荷仍出現(xiàn)在與X軸垂直的表面上，這稱之為橫向壓電效應(yīng)。當沿著Z軸方向受力時不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第5頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月縱向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為

qxx＝dxxFx(5-1)

式中，qxx為垂直于X軸平面上的電荷，dxx為壓電系數(shù)，下標的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；Fx為沿晶軸X方向施加的壓力。由上式看出，當晶片受到X向的壓力作用時，qxx

與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)。如果作用力Fx改為拉力時，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。第6頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為

(5-2)

式中，qXY為了軸向施加壓力，在垂直于X軸平面上的電荷dXY為壓電系數(shù)，Y軸向施加壓力，在垂直于X軸平面上產(chǎn)生電荷時的壓電系數(shù)；FY為沿晶軸Y方向施加的壓力。

第7頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

根據(jù)石英晶體的對稱條件dXX=-dXY，所以

由上式可以看出，沿機械軸方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的，式中的負號表示沿Y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿X軸施加壓力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。第8頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月石英晶片受壓力或拉力時，電荷的極性如下圖所示。

a)b)c)d)晶片受力方向與電荷極性的關(guān)系

第9頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

a)b)c)圖5－3石英晶體的壓電效應(yīng)

石英晶體在機械力的作用下為什么會在其表面產(chǎn)生電荷可以解釋如下：石英晶體的每一個晶體單元中，有三個硅離子和六個氧離子，正負離子分布在正六邊形的頂角上，如圖5－3a所示。當作用力為零時，正負電荷相互平衡，所以外部沒有帶電現(xiàn)象。第10頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

如果在X軸方向施加壓力，如圖5－3b所示，則氧離子擠入硅離子2和6間，而硅離子4擠入氧離子3和5之間，結(jié)果在表面A上出現(xiàn)正電荷，而在B表面上出現(xiàn)負電荷。如果所受的力為拉力時，在表面A和B上的電荷極性就與前面的情況正好相反。如果沿y軸方向施加壓力時，則在表面A和B上呈現(xiàn)的極性如圖5－3c所示。施加拉力時，電荷的極性與它相反。若沿Z軸方向施加力的作用時，由于硅離子和氧離子是對稱的平移，故在表面沒有電荷出現(xiàn)，因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。a)b)c)

圖5－3石英晶體的壓電效應(yīng)第11頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

二、壓電陶瓷

壓電陶瓷是一種多晶鐵電體，它是具有電疇結(jié)構(gòu)的壓電材料。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向。在無外電場作用時，各個電疇在晶體中無規(guī)則排列，它們的極化效應(yīng)互相抵消。因此，在原始狀態(tài)壓電陶瓷呈現(xiàn)中性，不具有壓電效應(yīng)。當在一定的溫度條件下，對壓電陶瓷進行極化處理，即以強電場使電疇規(guī)則排列，這時壓電陶瓷就具有了壓電性，在極化電場去除后，電疇基本上保持不變，留下了很強的剩余極化，見圖5－4所示。a)極化前b)極化c)極化后圖5－4壓電陶瓷的極化過程

第12頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月a)b)壓電陶瓷的壓電原理

壓電陶瓷在受到如上圖（b）所示的作用力F時，在垂直于Z軸的上下平面上分別出現(xiàn)正、負電荷，即

式中，AX為極化面面積；AY為受力面面積。第13頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月三、壓電材料及壓電元件的結(jié)構(gòu)1、壓電材料選取合適的壓電材料是壓電式傳感器的關(guān)鍵，一般應(yīng)考慮以下主要特性進行選擇：1)具有較大的壓電常數(shù)。2)壓電元件的機械強度高、剛度大并具有較高的固有振動頻率。3)具有高的電阻率和較大的介電常數(shù)，以期減少電荷的泄漏以及外部分布電容的影響，4)具有較高的居里點。所謂居里點是指壓電性能破壞時的溫度轉(zhuǎn)變點。居里點高可以得到較寬的工作溫度范圍。5)壓電材料的壓電特性幣隨時間蛻變，有較好的時間穩(wěn)定性。（1）石英晶體

石英晶體有天然和人工培養(yǎng)兩種類型。人工培養(yǎng)的石英晶體的物理+化學性質(zhì)幾乎與天然石英晶體無多大區(qū)別，因此目前廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。它在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，壓電、系數(shù)不隨溫度而變化。石英晶體的居里點為573℃，即到573℃時，它將完全喪失壓電性質(zhì)。它有很大的機械強度和穩(wěn)定的機械性能，沒有熱釋電效應(yīng)，但靈敏度很低，介電常數(shù)小，因此逐漸被其他壓電材料所代替。第14頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）水溶性壓電晶體這類壓電晶體有酒石酸鉀鈉(NaKC4H4O64H20)、硫酸鋰(Li2SO4H2O)、磷酸二氫鉀(KH2PO4)等。水溶性壓電晶體具有較高的壓電靈敏度和介電常數(shù)，但易于受潮，機械強度也較低，只適用于室溫和濕度低的環(huán)境下。（3）鈮酸鋰晶體鈮酸鋰是一種透明單晶，熔點為1250℃，居里點為1210℃。它具有良好的壓電性能和時間穩(wěn)定性，在耐高溫傳感器上有廣泛的前途。（4）壓電陶瓷這是一種應(yīng)用最普遍的壓電材料，壓電陶瓷具有燒制方便、耐濕、耐高溫、易于成形等特點。1)鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高溫下合成的。具有較高的壓電系數(shù)和介電常數(shù)。但它的居里點較低，為120℃，此外機械強度不如石英。2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷(PZT)鋯鈦酸鉛是PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb(Zr·Ti)O2。它具有較高的壓電系數(shù)和居里點(300℃以上)。3)鈮酸鹽系壓電陶瓷姐鈮酸鉛具有很高的居里點和較低的介電常數(shù)。鈮酸鉀的居里點為435C，常用于水聲傳感器中。第15頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

4)鈮鎂酸鉛壓電陶瓷(PMN)

這是一種由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3組成的三元系陶瓷。它具有較高的壓

電系數(shù)和居里點，能夠在較高的壓力下工作，適合作為高溫下的力傳感器。（5）壓電半導(dǎo)體

有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又同時具有壓電性能，如ZnS、CaS、GaAs等。：因此既可利用它的壓電特性研制傳感器，又可利用半導(dǎo)體特性以微屯子技術(shù)制成電子器件。兩者結(jié)合起來，就出現(xiàn)了集轉(zhuǎn)換元件和電子線路為一體的新型傳感器，它的前途是非常遠大的。（6）高分子壓電材料某些合成高分子聚合物薄膜經(jīng)延展拉伸和電場極化后，具有一定的壓電性能，這類薄膜稱為高分子壓電薄膜。目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。這是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。如果將壓電陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子—壓電陶瓷薄膜，它既保持了高分子壓電薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)，是一種很有希望的壓電材料。2、壓電元件的常用結(jié)構(gòu)型式在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如下圖所示。圖a為并聯(lián)接法，其輸出電容C＇為單片的n倍，即C＇=nC，輸出電壓U＇=U，極板上的電荷量Q＇為單片電荷量的n倍，即Q＇=nQ。圖中b為串聯(lián)接法，這時有Q＇＝Q，U＇=nU，C＇=C/n。

第16頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月a)b)圖：

壓電元件的串并聯(lián)在以上兩種聯(lián)接方式中，并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，因此時間常數(shù)也大，適用于測量緩變信號，并以電荷量作為輸出的場合。串聯(lián)接法輸出電壓高，本身電容小，適用于以電壓作為輸出量以及測量電路輸入阻抗很高的場合。壓電元件在壓電式傳感器中，必須有一定的預(yù)應(yīng)力，這樣可以保證在作用力變化時，壓電片始終受到壓力，同時也保證了壓電片的輸出與作用力的線性關(guān)系。

第17頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)壓電式傳感器測量電路一、壓電式傳感器的等效電路

壓電傳感器在受外力作用時，在兩個電極表面將要聚集電荷，且電荷量相等，極性相反。這時它相當于一個以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為

(5-4)式中：ε0為真空介電常數(shù)；ε為壓電材料的相對介電常數(shù)；d為壓電元件的厚度；A為壓電元件極板面積。第18頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月因此可以把壓電式傳感器等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源，如圖5－5a所示，也可以等效為—個電壓源，如圖5－5b所示。a)電荷源

b)電壓源圖5－5壓電傳感器的等效電路

壓電傳感器與測量儀表聯(lián)接時，還必須考慮電纜電容CC，放大器的輸入電阻Ri和輸入電容Ci以及傳感器的泄漏電阻Ra。圖5－6畫出了壓電傳感器完整的等效電路。

圖5－6壓電傳感器實際的等效電路

第19頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月2008-9-26第20頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月二、壓電式傳感器的測量電路

壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高，而輸出的信號微弱，因此一般不能直接顯示和記錄。壓電傳感器要求測量電路的前級輸入端要有足夠高的阻抗，這樣才能防止電荷迅速泄漏而使測量誤差變大。壓電傳感器的前置放大器有兩個用處：一是把傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是把傳感器的微弱信號進行放大。

第21頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）電壓放大器（阻抗變換器）

a)b)圖5－7壓電傳感器接電壓放大器的等效電路壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如圖5－7a所示。圖b是簡化后的等效電路，其中，ui為放大器輸入電壓；C=CC+Ci；；ua=Q/Ca。第22頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

a)b)圖5－7壓電傳感器接電壓放大器的等效電路如果壓電傳感器受力為F=Fmsinωt則在壓電元件上產(chǎn)生的電壓為

(5－6)

式中Um－壓電元件輸出電壓幅值Um＝d×Fm/Cad－壓電系數(shù)。第23頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

a)b)圖5－7壓電傳感器接電壓放大器的等效電路而在放大器輸入端形成的電壓為

(5－7)第24頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

Ui的幅值Uim為(5－8)當>>1時，放大器的輸入電壓為由上式可以看出放大器輸入電壓幅度與被測頻率無關(guān)，當改變連接傳感器與前置放大器的電纜長度時，Cc將改變，從而引起放大器的輸出電壓也發(fā)生變化。在設(shè)計時，通常把電纜長度定為一常數(shù)，使用時如要改變電纜長度，則必須重新校正電壓靈敏度值。第25頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的前置放大器。它實際上是一個具有反饋電容的高增益運算放大器。圖5－8是壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路。圖中Cf,為放大器的反饋電容，其余符號的意義與電壓放大器相同。（二）電荷放大器圖5－8電荷放大器等效電路第26頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月如果忽略電阻Ra、Ri及Rf的影響，則輸入到放大器的電荷量為Qi=Q-Qf

，而式中，A為開環(huán)放大系數(shù)。所以有故放大器的輸出電壓為

當A>>1，而(1+A)Cf>>時，放大器輸出電壓可以表示為（5-13）（5-12）第27頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

由式中可以看出，由于引入了電容負反饋，電荷放大器的輸出電壓僅與傳感器產(chǎn)生的電荷量及放大器的反饋電容有關(guān)，電纜電容等其他因素對靈敏度的影響可以忽略不計。電荷放大器的靈敏度為

(5－13)

放大器的輸出靈敏度取決于Cf。在實際電路中，是采用切換運算放大器負反饋電容Cf的辦法來調(diào)節(jié)靈敏度的。Cf越小則放大器的靈敏度越高。為了放大器的工作穩(wěn)定，減小零漂，在反饋電容Cf兩端并聯(lián)了一反饋電阻，形成直流負反饋，用以穩(wěn)定放大器的直流工作點。第28頁，課件共33頁，創(chuàng)作于2023年2月

6.4壓電式傳感器的應(yīng)用

壓電式傳感器可用于力、壓力、速度、加速度、振動等許多非電量的測量，可做成力傳感器、壓力傳感