压电式传感器-1

1、1同学们好！同学们好！成都 西岭 雪山第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器是一种有源的双向机电压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工作原理是基于压电材料传感器。它的工作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电效应早在的压电效应。石英晶体的压电效应早在1680年即已发现，年即已发现，1948年制作出第一年制作出第一个石英传感器个石英传感器。3第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1压电效应压电效应 6.2压电材料压电材料 6.3等效电路等效电路 6.4测量电路测量电路 6.5压电式传感器的应用举例压电式传感器的应用举例 6.6影响压电式传感器精度的因素分析影

2、响压电式传感器精度的因素分析4某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号材料的两个表面产生符号相反的电荷相反的电荷，当外力，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为现象被称为。当作用力方向改变时，。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为的现象称为“正压电效应正压电效应”或或“顺压电效应顺压电效应”。56反之，当在某些物质的极化方向

3、上施加电反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”或或“电致电致伸缩效应伸缩效应”。7 常见的压电材料可分为两类，即压电单常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。晶体和多晶体压电陶瓷。 压电单晶体有石英压电单晶体有石英( (包括天然石英和人造包括天然石英和人造石英石英) )、水溶性压电晶体、水溶性压电晶体( (包括酒石酸

4、钾钠、包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等) )；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。镁酸铅压电陶瓷等。8 如图所示为天如图所示为天然石英晶体，然石英晶体，其结构形状为其结构形状为一个六角形晶一个六角形晶柱，两端为一柱，两端为一对称棱锥。对称棱锥。9在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴轴表示，其中，纵轴Z Z称为光轴称为光轴，它是晶体，它是晶体的对称轴；通过六棱

5、线而垂直于光铀的的对称轴；通过六棱线而垂直于光铀的X X铀铀称为电轴称为电轴，X X轴共有三个，该轴轴共有三个，该轴压电效应最压电效应最为显著为显著；与；与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直的轴垂直的Y-YY-Y轴轴 ( (垂垂直于六棱柱体的棱面直于六棱柱体的棱面) )称为称为机械轴，机械轴， Y Y轴共有轴共有三个，在轴上加力产生三个，在轴上加力产生变形最大变形最大。 10如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于其晶面分别平行于Z-ZZ-Z、Y-YY-Y、X-XX-X轴线。晶轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴片在正常情况下呈现

6、电性。通常把沿电轴(X(X轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为方向的作用力产生的压电效应称为“纵向纵向压电效应压电效应”，把沿机械轴把沿机械轴(Y(Y轴轴) )方向的作用力方向的作用力产生的压电效应称为产生的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿，沿光轴光轴(Z(Z轴轴) )方向的作用力不产生压电效应。沿方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生相对两棱加力时，则产生切向效应切向效应。压电式。压电式传感器主要是利用传感器主要是利用纵向压电效应纵向压电效应。 1112石英晶体石英晶体具有压电效应，是由其内部分子具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。结构决定的。图图6-6-是

7、一个单元组体中构是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个正六平面上的投影，等效为一个正六边形排列。边形排列。 图中图中“”代表硅离子代表硅离子SiSi4+4+， “”代表氧离子代表氧离子O O2-2-。 13图6-3 石英晶体压电效应示意图1415当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩1、2、3。 如图（a）所示。 因为= qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 1+2+30所以晶体表面不

8、产生电荷，呈电中性。16当晶体受到沿x方向的压力（x 0在y、z方向上的分量为: (1+2+3)y = 0 (1+2+3)z= 017当晶体受到沿x方向的拉力（x 0）作用时，其变化情况如图（c）所示。电偶极矩1增大， 2、 3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (1 +2 +3) x0 (1+ 2+ 3)y =0 (1 +2 +3)z =0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。18可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力x 作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。晶体在y轴方向受力y作用下的情况与x 相似。当y 0时，晶体的形变与图（b）相似；当y

9、 0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力 y作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。 19晶体在z轴方向受力z的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力z 作用下，晶体不产生压电效应。206.1.2 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种多晶铁电体。 材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的

10、压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。 2122 在陶瓷施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 当外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。如图6-5 所示。23图6-5 压电陶瓷的极化过程和压电原理图24 当极化后的铁电体收到外力作用时，当极化后的铁电体收到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分别带有正

11、负电荷。压电陶使一定表面分别带有正负电荷。压电陶瓷在极化方向上压电效应最明显，我们瓷在极化方向上压电效应最明显，我们把极化方向定义为把极化方向定义为Z Z轴，垂直于轴，垂直于Z Z轴的平轴的平面上任何直线都可作为面上任何直线都可作为X X或或Y Y轴，这是与轴，这是与石英晶体的不同之处，铁电体的参数也石英晶体的不同之处，铁电体的参数也会随时间发生变化，即老化，会随时间发生变化，即老化，铁电体老铁电体老化式压电效应减弱化式压电效应减弱。25陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另

12、一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。对外界的作用。26如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变

13、小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电分自由电荷而出现充电现象。现象。正压电效应正压电效应。 27若在片上加一个与极化方向相同的电场，电若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场化方向产生伸长形变

14、。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就变为机械能的现象，就是压电陶瓷的是压电陶瓷的逆压电效应逆压电效应。28对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，这是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，如图（a）所示，其电荷量q与作用力z成正比，即(6-12) 式中： d33 压电陶瓷的压电系数； 作用力。 z

15、Fdq3329压电陶瓷在受到沿y方向的作用力y或沿x方向的作用力x时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力y、x也成正比，即xzxyzyAAFdAAFdq3132式中 A z极化面面积； Ax、A y受力面面积； d32、d31压电陶瓷的横向压电系数30当作用力z、y或x反向时，电荷的极性也反向。压电陶瓷在受到如图（c）所示的作用力x、y、z共同作用时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷。31 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后

16、的压电陶感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。性减弱。 32最 早 使 用 的 压 电 陶 瓷 材 料 是 钛 酸 钡最 早 使 用 的 压 电 陶 瓷 材 料 是 钛 酸 钡（BaTiOBaTiO3 3）。它是由碳酸钡和二氧化钛）。它是由碳酸钡和二氧化钛按按1111摩尔分子比例混合后烧结而成的。摩尔分子比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的它的压电系数约为石英的5050倍，倍， 但居里但居里点温度只有点温度只有115115，使用温度不

17、超过，使用温度不超过7070，温度稳定性和机械强度都不如石英。温度稳定性和机械强度都不如石英。 33压电常数压电常数d dij ij的物理意义的物理意义 在在“短路条件短路条件”下，单位应力所产生下，单位应力所产生的电荷密度。的电荷密度。 “短路条件短路条件”是指压电元件的表面电是指压电元件的表面电荷从一开始发生就被引开，因而在晶体荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在变形上不存在“二次效应二次效应”的理想条件。的理想条件。压电常数压电常数d d有时也称为压电应变常数。有时也称为压电应变常数。6.1.4 6.1.4 压电方程与压电常数压电方程与压电常数34（1 1）压电常数）压电常数g

18、 g：它表示在不计它表示在不计“二次效应二次效应”的条件下，的条件下，每单位每单位应力应力在晶体内部产生的电势梯度，因此有时也在晶体内部产生的电势梯度，因此有时也称为压电电压常数，数值上等于压电常数称为压电电压常数，数值上等于压电常数d d除以晶体除以晶体的绝对介电常数，即的绝对介电常数，即： 0rdg （2 2）压电常数）压电常数h h：它表示在不计它表示在不计“二次效应二次效应”条件下，条件下，每单位每单位机械应变机械应变在晶体内部产生的电势梯度。因而在晶体内部产生的电势梯度。因而h h常数应关系到压电晶体材料的机械性能参数，数值上常数应关系到压电晶体材料的机械性能参数，数值上等于压电常数

19、等于压电常数g g和晶体的杨氏模量和晶体的杨氏模量E E的乘积：的乘积：gEh 353. 机械耦合系数机械耦合系数K K： 它是一个无量纲的数。它表示晶体中存储的电能对晶体所它是一个无量纲的数。它表示晶体中存储的电能对晶体所吸收的机械能之比的平方根。或者反过来，表示晶体中存储的吸收的机械能之比的平方根。或者反过来，表示晶体中存储的机械能对晶体所吸收的电能之比的平方根，即：机械能对晶体所吸收的电能之比的平方根，即：输入机械能由机械能转变成的电能2K 机械耦合系数机械耦合系数K在数值上等于压电常数在数值上等于压电常数h和压电常数和压电常数d乘积的乘积的平方根。平方根。hdk 输入的电能能由电能转变

20、而来的机械2K或或36压电材料应具备以下几个主要特性：压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。电性能。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 37在在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数

21、几乎不随温度而变化。但是当温度压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到升高到573时，石英晶体将完全丧去压电时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。传感器中。38石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英

22、晶体的物理和化学性质几乎与天培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。本较低的人造石英晶体。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。选择石英片的切型。39压电陶瓷主要有以下几种：压电陶瓷主要有以下几种：1. 钛酸钡压电陶瓷钛

23、酸钡压电陶瓷钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（和二氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温分子比例在高温下合成的压电陶瓷。下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里倍）。不足之处是居里点温度低（点温度低（120），温度稳定性和机械强），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。度不如石英晶体。40锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶组成的固溶体体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点

24、温度在电系数更大，居里点温度在300以上，各以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。压电材料。41压电半导体材料有压电半导体材料有ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe等，这种力敏器件具有灵敏度高，响等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点

25、。此外用应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。42某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯、聚氟乙烯PVF、聚氯、聚氯乙烯乙烯PVC、聚、聚甲基甲基-L谷氨酸脂谷氨酸脂PMG等。高等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量

26、生产和制成较大的面积。破碎，可以大量生产和制成较大的面积。43 6.6.16.6.1非线性非线性 6.6.26.6.2横向灵敏度横向灵敏度 6.6.36.6.3环境温度的影响环境温度的影响 6.6.46.6.4湿度的影响湿度的影响 6.6.56.6.5电缆噪声电缆噪声 6.6.66.6.6接地回路噪声接地回路噪声 6.6影响压电式传感器精度的因素分析影响压电式传感器精度的因素分析44 6.6.1非线性非线性 压电传感器的幅值线性度是指被测物理量压电传感器的幅值线性度是指被测物理量( (如力、压力、加速度等如力、压力、加速度等) )的增加，其灵敏度的的增加，其灵敏度的变化程度。变化程度。 压电传感器的幅值线性度变化规律一般是压电传感器的幅值线性度变化规律一般是随载荷增大，灵敏度增大。图随载荷增大，灵敏度增大。图6-176-17是一个压电是一个压电加速度传感器的幅值线性度曲线。加速度传感器的幅值线性度曲线。 压电加速度传感器的幅值线性度的确