第五章 壓電式傳感器

第五章

壓電式傳感器楊婷婷控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院華北電力大學(xué)壓電式傳感器壓電式傳感器是一種有源傳感器（發(fā)電型傳感器），以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。優(yōu)點(diǎn)：壓電轉(zhuǎn)換元件具有自發(fā)電和可逆兩種重要性能，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，固有頻率高，靈敏度高和信噪比高等。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，如力，壓力，加速度等。5.1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)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－圖5-1正壓電效應(yīng)示意圖逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)外加電場(chǎng)去掉時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。正壓電效應(yīng)電能機(jī)械能逆壓電效應(yīng)具有壓電效應(yīng)的電介物質(zhì)稱為壓電材料，在自然界中，大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng)，然而大多數(shù)晶體的壓電效應(yīng)十分微弱。天然形成的石英晶體人工制造的壓電陶瓷一、石英晶體壓電效應(yīng)正六面體Z-Z：光軸X-X：電軸Y-Y：機(jī)械軸沿X-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)”；沿Y-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)”；沿Z-Z方向受力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理

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)。晶體受到沿Y（機(jī)械軸）方向的力FY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)。沿Z（即光軸）方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。作用力與電荷的關(guān)系從石英晶體上切下一片平行六面體—晶體切片，晶面分別平行于X，Y，Z軸，并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。

d11—壓電系數(shù)。下標(biāo)為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向，受力方向和變形不同，壓電系數(shù)不同。

若沿x方向?qū)┘与妶?chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為Ex

。根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在x軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即：

在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性如圖，大小為：

由前述可知，對(duì)于石英晶體：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）之間皆呈線性關(guān)系。二、壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，由無(wú)數(shù)細(xì)微的電疇組成（類似鐵磁材料磁疇）。這些電疇實(shí)際上是自發(fā)極化的小區(qū)域，自發(fā)極化方法完全是任意排列的，因此極化效應(yīng)被相互抵消，原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。為了使壓電陶瓷具有壓電效應(yīng)，必須進(jìn)行極化處理，即在一定溫度下對(duì)壓電陶瓷施加強(qiáng)電場(chǎng)。為什么電壓表無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度？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)，一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。束縛電荷吸附的自由電荷屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。正壓電效應(yīng)在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，壓縮形變，正負(fù)束縛電荷間距離變小，極化強(qiáng)度變小，自由電荷部分釋放，放電現(xiàn)象。壓力撤銷后，充電。正壓電效應(yīng)電效應(yīng)電能機(jī)械效應(yīng)機(jī)械能在陶瓷片上加一個(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，正負(fù)束縛電荷距離增大，沿極化方向伸長(zhǎng)形變。反之，若電場(chǎng)與極化方向相反，縮短形變。電效應(yīng)電能機(jī)械效應(yīng)機(jī)械能逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)

壓電陶瓷壓電效應(yīng)的產(chǎn)生：陶瓷內(nèi)部自發(fā)極化→極化工序→被迫取向排列→剩余極化強(qiáng)度；外界作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）→極化強(qiáng)度發(fā)生變化→壓電效應(yīng)。極化電荷是束縛電荷，不是自由電荷，束縛電荷不能自由移動(dòng)。故放電充電現(xiàn)象是陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。5.2壓電材料應(yīng)用于壓電傳感器中的壓電材料：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛等。對(duì)于壓電材料的特性要求：轉(zhuǎn)換性能。較大的壓電常數(shù)；機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高，剛度大，以獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；電性能。高電阻率和大介電常數(shù)，以減少外部分布電容的影響和良好低頻特性；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，較高的居里點(diǎn)；時(shí)間穩(wěn)定性。壓電性能不隨時(shí)間變化。石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝5.2壓電材料—石英晶體石英是一種具有良好壓電特性的壓電晶體，其最明顯的優(yōu)點(diǎn)是介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化。當(dāng)溫度達(dá)到其居里點(diǎn)（573℃）時(shí)，石英晶體就失去了壓電特性。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好。但價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。另外，石英是一種各向異性晶體，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)不同使用要求正確選擇石英片的切型。IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號(hào)表示法：（X、Y、Z、t、l、b）和角度X、Y、Z中任意兩個(gè)字母的先后排列順序，表示石英晶片厚度和長(zhǎng)度的原始方向；用字母t（厚度）、l（長(zhǎng)度）、b（寬度）表示旋轉(zhuǎn)軸的位置。5.2壓電材料—壓電陶瓷（一）鈦酸鋇壓電陶瓷壓電常數(shù)比石英晶體大幾十倍，介電常數(shù)也較高，但溫度穩(wěn)定性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度都不如石英，工作溫度較低（80℃）。（二）鋯鈦酸鉛壓電陶瓷具有很高的介電常數(shù)，壓電系數(shù)大，工作溫度可達(dá)250℃，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好，廣泛應(yīng)用。壓電陶瓷產(chǎn)品5.2壓電材料—新型壓電材料（一）壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體有硫化鋅，氧化鋅，碲化鋅，砷化鎵等，顯著特點(diǎn)是既具壓電特性又具半導(dǎo)體特性，因此既可用其制作傳感器，又可用其制作電子器件，也可兩者結(jié)合，研制成新型集成壓電傳感測(cè)試系統(tǒng)。（二）有機(jī)高分子壓電材料如聚氟乙烯，聚氯乙烯等，獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕柔軟，抗拉強(qiáng)度高，蠕變小，耐沖擊等，且便于大面積生產(chǎn)和使用。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

高分子壓電薄膜及拉制可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

壓電式腳踏報(bào)警器5.3壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷→靜電發(fā)生器→視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器。一、等效電路一、等效電路

一、等效電路工作時(shí)需要用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接，應(yīng)考慮連接導(dǎo)線的等效電容、電阻，前置放大器的輸入電阻、輸入電容。完整的等效電路只有傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓力傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存下來(lái)，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄露，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻（或準(zhǔn)靜態(tài)）響應(yīng)，要求：壓電傳感器的絕緣電阻應(yīng)保持在1013Ω以上，使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足測(cè)試要求；測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，產(chǎn)生測(cè)量誤差。前置放大器的作用：信號(hào)放大；阻抗變換。高輸出阻抗低輸出阻抗電荷或電壓放大器二、測(cè)量電路1）阻抗變換：