壓電式壓力傳感器

壓電式壓力傳感器第一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二§1壓電效應(yīng)PiezoelectricEffect雅克·居里（JacquesCurie）（1856年10月29日-1941年），法國(guó)物理學(xué)家，蒙彼利埃大學(xué)教授。皮埃爾·居里(PierreCurie)(1859-1906)居里兄弟第二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二他們發(fā)現(xiàn)了一些晶體在某一特定方向上受壓時(shí)，在它們的表面上會(huì)出現(xiàn)正或負(fù)電荷，這些電荷與壓力的大小成正比，而當(dāng)壓力排除之后電荷也消失。1881年，他們發(fā)表了關(guān)于石英與電氣石中壓電效應(yīng)的精確測(cè)量。1882年，他們證實(shí)了李普曼(G．Lippmann)關(guān)于逆效應(yīng)的預(yù)言：電場(chǎng)引起壓電晶體產(chǎn)生微小的收縮。利用壓電現(xiàn)象，他們還設(shè)計(jì)了一種壓電石英靜電計(jì)——居里計(jì)。第三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－§1壓電效應(yīng)PiezoelectricEffect第四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)第五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二縱軸Z稱(chēng)為光軸，通過(guò)六棱線(xiàn)而垂直于光鈾的X鈾稱(chēng)為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸

(垂直于六棱柱體的棱面)稱(chēng)為機(jī)械軸。1.石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的晶軸第六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二（a）yxzOxazybc（b）把沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”把沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)1.石英晶體的壓電效應(yīng)第七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二硅氧離子的排列示意圖(a)xy(b)+xy++---

石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理第八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因?yàn)镻=qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。第九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之發(fā)生變化。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們?cè)趚

方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

(b)Fx>0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--在y、z方向上的分量為:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0第十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力作用時(shí)，電偶極矩P1增大，P2、P3減小，此時(shí)它們?cè)趚、y、z三個(gè)方向上的分量為

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。(c)Fx<0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----第十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx

作用時(shí)，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在y（即機(jī)械軸）方向的力

Fy作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在z軸方向受力Fz的作用時(shí)，因?yàn)榫w沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，在沿z(即光軸)方向的力Fz

作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二作用力與電荷的關(guān)系（a）yxzOxazybc（b）若從晶體上沿y方向切下一塊晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力σx時(shí)，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線(xiàn)性彈性范圍內(nèi)，極化強(qiáng)度P11與應(yīng)力σx

成正比。

第十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二d11——壓電系數(shù)。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；b、c——石英晶片的長(zhǎng)度和寬度。而P11在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度將以上兩式聯(lián)立，得第十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二若在同一切片上，沿機(jī)械軸y方向施加應(yīng)力σy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷q12，其大小為根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱(chēng)條件：d11=-d12，則：晶片厚度第十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二①當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；②沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的；④晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；⑤無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間皆呈線(xiàn)性關(guān)系。結(jié)論第十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電材料可分為三大類(lèi)：一是壓電晶體(單晶)，它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；二是壓電陶瓷(多晶半導(dǎo)瓷)；三是新型壓電材料，又可分為壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子壓電材料兩種。在傳感器技術(shù)中，目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇與鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷?！?壓電材料第十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電晶體(a)天然石英晶體；(b)人工石英晶體；(c)右旋石英晶體理想外形第十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電陶瓷壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶鐵電體。所謂“多晶”，它是由無(wú)數(shù)細(xì)微的單晶組成；所謂“鐵電體”，它具有類(lèi)似鐵磁材料磁疇的“電疇”結(jié)構(gòu)。每個(gè)單晶形成一單個(gè)電疇，無(wú)數(shù)單晶電疇的無(wú)規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性BaTiO3壓電陶瓷的極化

第十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。

陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋第二十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。——正壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)示意圖F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向第二十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖Ｅ電場(chǎng)方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋第二十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸的平面上任何直線(xiàn)都可作為x或y軸，這是和石英晶體的不同之處。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，其電荷量q與作用力Fz成正比，即式中：

d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。第二十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx時(shí)，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，其電荷量q與作用力Fy、Fx也成正比，即式中Az——極化面面積；

Ax、Ay——受力面面積；

d32、d31——壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)第二十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二式中石英晶體的壓電常數(shù)矩陣：壓電陶瓷的壓電常數(shù)矩陣：S=dTs為三個(gè)表面的壓電電荷密度向量，d為壓電常數(shù)矩陣，T應(yīng)力向量第二十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二新型壓電材料壓電半導(dǎo)體硫化鋅(ZnS)、碲化鎘(CeTe)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)等，這些材料顯著的特點(diǎn)是：既具有壓電特性又具有半導(dǎo)體特性。因此既可用其壓電性研制傳感器，又可用其半導(dǎo)體特性制作電子器件；也可以?xún)烧吆弦?，集元件與線(xiàn)路于一體，研制成新型集成壓電傳感器測(cè)試系統(tǒng)。有機(jī)高分子壓電材料其一，是某些合成高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性的高分子壓電薄膜，如聚氟乙烯（PVF)等。其二，是高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜。第二十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。②機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。④環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時(shí)間穩(wěn)定性。壓電性能不隨時(shí)間變化。第二十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電材料壓電陶瓷壓電晶體鈦酸鋇BaTiO3鋯鈦酸鉛系列鈮鎂酸鉛DMN鈮酸鋰LiNbO3石英SiO2PZT-4PZT-5PZT-8性能參數(shù)壓電系數(shù)(C/N)d152604106704102200d11=2.31d31-78-100-185-90-230-25.9d14=2.31d331902004.5200700487相對(duì)介電常數(shù)(r)120010502100100025003.94.5居里點(diǎn)溫度(℃)1153102603002601210573密度(103kg/m3)5.57.457.57.457.64.642.65彈性模量(108Pa)11083.311712324.580機(jī)械品質(zhì)因數(shù)300250080≥800105105~106最大安全應(yīng)力(106N/m2)8176768395~10體電阻率(m)101010101010>1012最高允許溫度(℃)80250250350常用壓電晶體和壓電陶瓷材料特性第二十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二一、壓電晶片的連接方式（1）并聯(lián)：（2）串聯(lián)：§2等效電路和測(cè)量電路第二十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個(gè)電荷源與一個(gè)電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器，其電容量為：(a)qCa二、壓電傳感器的等效電路第三十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二電荷量、電壓、電容的關(guān)系為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(b)。UaCa(b)二、壓電傳感器的等效電路第三十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線(xiàn)的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路壓電傳感器的實(shí)際等效電路（a）電壓源;（b）電荷源二、壓電傳感器的等效電路第三十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二值得注意的是：1、利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。2、前置放大器的作用：

（1）放大（2）阻抗轉(zhuǎn)換電壓放大器電荷放大器第三十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二1、電壓放大器第三十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二輸入端電壓：1、電壓放大器第三十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二放大器輸入端電壓幅值：輸入電壓與作用力間的相位差：1、電壓放大器第三十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二時(shí)間常數(shù)1、電壓放大器系統(tǒng)固有頻率系統(tǒng)高頻靈敏度第三十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓比例放大器第三十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、電荷放大器電荷放大器原理圖第三十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二電荷放大器的輸出電壓uo只取決于輸入電荷與反饋電容Cf，與電纜電容Cc無(wú)關(guān)，且與q成正比，因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長(zhǎng)度在百米以上，其靈敏度也無(wú)明顯變化，這是電荷放大器的最大特點(diǎn)。第四十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二例1：壓電式測(cè)力傳感器壓電式三向力傳感器§3壓電傳感器的應(yīng)用第四十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二電極結(jié)構(gòu)預(yù)緊力例2：壓電式壓力傳感器第四十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二壓電陶瓷：彈丸起爆裝置——破甲彈例3：壓電引信/AMuseum/weapon/html/bingqizhishi/danyao/yinxin/20080720/874.html第四十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二產(chǎn)品過(guò)載沖擊試驗(yàn)跌落高度h被沖擊介質(zhì)：鋼、橡膠、塑料、木塊加速度產(chǎn)品例4：沖擊試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定和檢測(cè)第四十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二事故性碰撞：點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體例5：汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)第四十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二密封容器壓力測(cè)試法例6：氣體發(fā)生器輸出特性測(cè)試第四十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二加速度160ug~10g速度0.4~80cm/s振幅4um~8cm轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA：V：D：積分：振動(dòng)速度、幅值例7：振動(dòng)測(cè)量?jī)x第四十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二例8：壓電式血壓傳感器第四十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二例9：指套式電子血壓計(jì)第四十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二例10：玻璃破碎報(bào)警器第五十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二第五十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二例11：水深測(cè)量?jī)x第五十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二聲表面波傳感器延遲時(shí)間SAW振子：LC諧振回路振動(dòng)頻率例12：逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用第五十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期二結(jié)冰現(xiàn)象的危害：鐵路電力機(jī)車(chē)接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)上結(jié)冰影響機(jī)車(chē)正常行駛、冷庫(kù)物資防冰、飛機(jī)安全飛行結(jié)冰狀況監(jiān)測(cè)：是否結(jié)冰、冰