第-8-章-壓電式傳感器

*1第8章壓電式傳感器8.1壓電效應(yīng)及壓電材料

8.2壓電式傳感器測(cè)量電路8.3壓電式傳感器的應(yīng)用*28.1壓電效應(yīng)及壓電材料正壓電效應(yīng)(壓電效應(yīng))：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng):當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形。人們把這種電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象，稱為“逆壓電效應(yīng)”。

*3壓電效應(yīng)可逆性

*4壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)—電能量的相互轉(zhuǎn)換。壓電材料分類：壓電晶體、壓電陶瓷和有機(jī)高分子壓電材料。*5常用壓電材料性能參數(shù)*6

一、石英晶體石英晶體：化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)，正六面體。石英晶體的各向異性：縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的y軸稱為機(jī)械軸?？v向壓電效應(yīng)：把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”；橫向壓電效應(yīng)：把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。*7晶體外形(b)切割方向(c)晶片

石英晶體*8天然形成的石英晶體外形*9天然形成的石英晶體外形

*10石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝*11縱向壓電效應(yīng):

若從晶體上沿y方向切下一塊晶片，沿電軸方向施加作用力F1時(shí)，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為式中，d11為x方向受力的壓電系數(shù)。橫向壓電效應(yīng):若在同一切片上，沿機(jī)械軸方向施加作用力F2時(shí)，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷，其大小為式中，d12為y方向受力的壓電系數(shù)，其中d12=-d11。*12不受力時(shí)(b)x軸方向受力(c)y軸方向受力石英晶體壓電模型注：電偶極矩P=ql*13切向效應(yīng)*14

石英晶體壓電效應(yīng)原理:

（a）石英晶體未受外力作用時(shí)，P1+P2+P3=0，所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，即呈中性。（b）石英晶體受到沿x軸方向的壓力作用時(shí)，在x軸的正方向出現(xiàn)負(fù)電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。（c）石英晶體受到沿y軸方向的壓力作用時(shí)，在x軸的正向出現(xiàn)正電荷，電偶極矩在y方向上的分量仍為零，不出現(xiàn)電荷。（d）石英晶體沿z軸方向施加作用力時(shí)，晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（e）當(dāng)作用力Fx、Fy的方向相反時(shí)，電荷的極性也隨之改變。*15石英晶體的壓電效應(yīng)演示*16

優(yōu)點(diǎn)：性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能非常好，絕緣阻抗一般大于1012

。

缺點(diǎn)：石英晶體的壓電系數(shù)比壓電陶瓷小的多，且價(jià)格較貴，所以壓電石英一般用于制作標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器。壓電石英特性：*17

二、壓電陶瓷壓電陶瓷：是人工制造的多晶體壓電材料，壓電系數(shù)高。人工極化：材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，在無外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。在強(qiáng)直流極化電場(chǎng)作用下，電疇的極化方向依外電場(chǎng)方向充分排列。在撤消極化電場(chǎng)后，壓電陶瓷內(nèi)部仍存有很強(qiáng)的剩余極化強(qiáng)度，這時(shí)的材料才具有壓電特性。*18未極化(b)電極化壓電陶瓷的極化*19壓電陶瓷外形

*20無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

*21壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)：式中，

d33——

壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F—作用力。優(yōu)點(diǎn)：壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。*22鈦酸鋇（BaTiO3），它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115℃，使用溫度不超過70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。鋯鈦酸鉛（PZT）系列，居里點(diǎn)在300℃以上，性能穩(wěn)定，有較高的介電常數(shù)和壓電系數(shù)。鈮鎂酸鉛：20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的壓電陶瓷，具有極高的壓電系數(shù)和較高的工作溫度，而且能承受較高的壓力。

壓電陶瓷材料：*231、某些合成高分子聚合物經(jīng)延展拉伸和電極化處理而成，如聚偏二氟乙烯(PVDF)；2、高分子化合物中參雜PZT和BaTiO3粉末制成薄膜。

優(yōu)點(diǎn)：有機(jī)高分子壓電材料的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕柔軟、抗拉強(qiáng)度高，便于批量生產(chǎn)和大面積使用，可制作大面積陣列傳感器。三、有機(jī)高分子壓電材料*24高分子壓電薄膜及拉制

*25

高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

*26基本原理：利用壓電材料的壓電效應(yīng)，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。應(yīng)用領(lǐng)域：由于外力作用而在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量。壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電流，故適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。四、壓電式傳感器*27相同極性端粘結(jié)(b)不同極性端粘結(jié)（電學(xué)并聯(lián)）（機(jī)械串聯(lián)、電學(xué)串聯(lián)）壓電元件組成壓電傳感器的連接方式*28并聯(lián)接法：輸出電荷大，本身電容大，時(shí)間常數(shù)大，適宜用在測(cè)量慢變信號(hào)，并且以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。串聯(lián)接法：輸出電壓大，本身電容小，時(shí)間常數(shù)小，適宜用于以電壓作輸出量，并且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。壓電式傳感器中的壓電元件，按其受力和變形方式不同，大致有厚度變形、長度變形、體積變形和厚度剪切變形等幾種形式。目前最常使用的是厚度變形的壓縮式和剪切變形的剪切式兩種。*29(a)厚度變形(TE)(b)長度變形(LE)(c)體積變形(VE)(d)面切變形(FS)(e)剪切變形(TS)壓電元件變形方式*30壓電傳感器的預(yù)載：（1）消除低壓力使用中的非線性；（2）消除傳感器內(nèi)外接觸表面的間隙，提高剛度。（3）只有在加預(yù)載后,才能用壓電傳感器測(cè)量拉力和拉、壓交變力及剪力和扭矩。*315.2壓電式傳感器測(cè)量電路

一、壓電式傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器，晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為*32（a）電壓源（b）電荷源壓電元件的等效電路*33電壓等效電路：壓電傳感器可以等效為一個(gè)與電容相串聯(lián)的電壓源。電荷等效電路：壓電傳感器也可以等效為一個(gè)與電容相并聯(lián)的電荷源。*34輸出端電壓:電壓靈敏度:輸出端電荷:電荷靈敏度:*35壓電傳感器在實(shí)際使用時(shí)總要與測(cè)量?jī)x器或測(cè)量電路相連接，因此還需考慮連接電纜的等效電容Cc，放大器的輸入電阻Ri

，輸入電容Ci以及壓電傳感器的等效電容Ca，絕緣電阻Ra。這樣，壓電傳感器在測(cè)量系統(tǒng)中的實(shí)際等效電路如圖所示。*36（a）電壓源（b）電荷源壓電傳感器的實(shí)際等效電路*37由于壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量很小，達(dá)到ｐＡ級(jí)電流。因此測(cè)量電路要求:前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù);而且,還需要有極高的輸入阻抗.

二、測(cè)量電路：*38

二、測(cè)量電路：電壓放大器和電荷放大器。

1.電壓放大器電阻R=RaRi/(Ra+Ri)，電容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若壓電元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，則其電壓為

式中，Um——壓電元件輸出電壓幅值，Um=dFm/Ca；

d——壓電系數(shù)。*39（a）放大器電路（b）等效電路電壓放大器電路原理及其等效電路圖－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua*40由此可得放大器輸入端電