第二章(压电传感器)

1、 工作原理工作原理压电效应压电效应常用材料及材料的选择常用材料及材料的选择测量电路测量电路应用应用第五节第五节 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器的原理是基于某些晶压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，是一种体材料的压电效应，是一种典型的有源典型的有源传感器传感器（或发电型传感器）。（或发电型传感器）。 压电式传感器具有响应频带宽，灵压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。靠、重量轻等优点。 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感面产生

2、电荷的压电效应为转换原理的传感器。器。可测量能变换为力的各种物理量可测量能变换为力的各种物理量。压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理变换原理变换原理: :压电效应压电效应压电效应压电效应：某些晶体在一定方向受某些晶体在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现到外力作用时，内部将产生极化现象，相应的在晶体的两个表面产生象，相应的在晶体的两个表面产生符号相反的电荷符号相反的电荷 ；当外力作用除去；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为改变，这种现象称为压电效应压电效应。F+q=

3、DF 压电效应压电效应正压电效应正压电效应（顺压电效应顺压电效应）：某些电介质，当沿某些电介质，当沿着着一定方向一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象现象，同时在它的同时在它的一定表面一定表面上产生电荷，当外力去掉上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应电致伸缩效应）：）：当在电介质的当在电介质的极极化方向化方向施加电场，这些电介质就在施加电场，这些电介质就在一定方向一定方向上产生机上产生机

4、械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。应力也随之消失的现象。电能电能机械能机械能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应常见的压电材料常见的压电材料单晶压电晶体单晶压电晶体多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷新型压电材料新型压电材料 是二氧化硅单晶，属于六角晶系。是二氧化硅单晶，属于六角晶系。石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应XX轴称为电轴；轴称为电轴；“纵向压电效应纵向压电效应”YY轴称为机械轴；轴称为机械轴；“横向压电效应横向压电效应”纵向轴纵向轴ZZ称为光轴、称为光轴、 中性轴中性轴不产生压电效应不产生压电效应ZYXbl石

5、英晶体切片石英晶体切片h受力分析受力分析假设从石英晶体上切下一片平行六面体假设从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片晶体切片1 1、当晶片受到沿、当晶片受到沿X轴方向的轴方向的压缩应力压缩应力XX作用时作用时: :XXFdq11如果作用力如果作用力FX改为拉力改为拉力 则在垂直于则在垂直于X轴的平面上仍出轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反现等量电荷，但极性相反 (a)(b)XXFXFX+ + + + + +受力分析受力分析ZYXbl石英晶体切片石英晶体切片h2 2、如果在同一晶片上作用力、如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，其电荷是沿着机械轴的方向，其电荷仍在与仍在与X轴垂直平面上出现

6、，轴垂直平面上出现，其极性见图（其极性见图（c）、（）、（d），此），此时电荷的大小为时电荷的大小为 + + + + + +FYFYXX+ +（c）（d）YXYFhldq12d12石英晶体在石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数轴方向受力时的压电系数根据石英晶体轴对称条件：根据石英晶体轴对称条件：d11=d12YXYFhldq11 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；与电荷（或电场强度）之间呈线性关系； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；向上一定存在逆压

7、电效应； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 总结总结 它的介电常数和压电常数的温度稳定性很它的介电常数和压电常数的温度稳定性很好；好； 工作温度范围很宽（工作温度范围很宽（20C 200C) ； 机械强度高，可承受机械强度高，可承受108Pa的压力；的压力； 在冲击力作用下，漂移也很小；在冲击力作用下，漂移也很小； 弹性系数较大。弹性系数较大。基于这些优点：基于这些优点：可用于测量大量程的力和可用于测量大量程的力和 加速度加速度石英晶体优点石英晶体优点 压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷（多晶体）特性：特性： 压电陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的压电

8、陶瓷与石英晶体不同，前者是人工制造的多晶体多晶体压电材料压电材料，而后者是单晶体；，而后者是单晶体； 压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，是石英晶体的几百倍；压电系数，是石英晶体的几百倍； 压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自材

9、料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a a）。）。 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应剩余极化强度剩余极化强度(a)极化处理前极化处理前直流电场直流电场E剩余伸长剩余伸长电场作用下的伸长电场作用下的伸长(b)极化处理中极化处理中(c)极化处理后极化处理

10、后 （如（如2030kv/cm直流电场），经过直流电场），经过23小时以后小时以后压电陶瓷的缺点：压电陶瓷的缺点： 机械性能不如石英晶体机械性能不如石英晶体压电陶瓷的优点：压电陶瓷的优点：广泛应用于：广泛应用于： 检测技术、电子技术、超声技术领域检测技术、电子技术、超声技术领域压电陶瓷特点压电陶瓷特点压电常数大灵敏度高制造工艺成熟成形工艺性好成本低廉，利于广泛应用还具有热释电性新型压电材料新型压电材料 有机压电薄膜有机压电薄膜 压电半导体压电半导体有机高分子压电材料一 、某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性高分子压电薄膜，（如聚氟乙烯PVF)等。二、高分子化合物中掺杂压电陶瓷P

11、ZT或钛酸钡（BaTiO3） 粉末制成的高分子压电薄膜。 高分子的压电材料是一种新型的材料，有聚偏二氟乙烯（高分子的压电材料是一种新型的材料，有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚偏氟）、聚偏氟乙烯（乙烯（PVDF）、聚氟乙烯（）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氟乙烯（）、改性聚氟乙烯（PVC）等，高分子压电材）等，高分子压电材料的最大特点是具有柔软性，极易拉伸制成较大面积或较长尺寸，可根据需要制料的最大特点是具有柔软性，极易拉伸制成较大面积或较长尺寸，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状，经极化处理后就出现压电特性。它成薄膜或电缆套管等形状，经极化处理后就出现压电特性。它不易破碎不易破碎，具有，具有防防水

12、性水性，动态范围宽（可达动态范围宽（可达80dB），频响范围大，但工作温度不高，频响范围大，但工作温度不高 ，机械强度也，机械强度也不高，容易老化，因此常用于对测量精度要求不高的场合。不高，容易老化，因此常用于对测量精度要求不高的场合。 压电半导体压电半导体有些晶体既有半导体特性又有压电特性：有些晶体既有半导体特性又有压电特性：ZnS(硫化锌）硫化锌）GaAs（砷化镓）（砷化镓）CaAs（硫化钙）（硫化钙）对压电材料特性要求对压电材料特性要求 转换性能。转换性能。要求具有较大压电常数。要求具有较大压电常数。 机械性能。机械性能。压电元件作为受力元件，希望它压电元件作为受力元件，希望它的机械强度

13、高、刚度大，以期获得宽的线性范的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。围和高的固有振动频率。 电性能。电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。特性。 环境适应性强。环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要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求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。围。 时间稳定性。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。要求压电性能不随时间变化。 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在在压电式传感器中，常用两片或多片

14、组合在一起使用。一起使用。常有并联和串常有并联和串联两种接法联两种接法+串联串联+并联并联压电元件的常用结构压电元件的常用结构电压源电压源电荷源电荷源v压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱。压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱。要求测量电路的前级输入端有足够高的阻抗，要求测量电路的前级输入端有足够高的阻抗，防止电荷迅速泄露而使测量误差减小。防止电荷迅速泄露而使测量误差减小。压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路v压电式传感器的前置放大器有两个作用：压电式传感器的前置放大器有两个作用：u把压电式传感器的把压电式传感器的高输出阻变换成低阻抗输出高输出阻变换成低阻抗输出；u放大放大压电

15、式传感器输出的压电式传感器输出的弱信号弱信号。v前置放大器形式：前置放大器形式：u电压放大器电压放大器，其输出电压与输入电压（传感器的，其输出电压与输入电压（传感器的输出电压）成正比；输出电压）成正比；u电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。，其输出电压与输入电荷成正比。1、电压放大器、电压放大器AACaCaRaRiCiCcCRUiUscUscUa(a)(b)Ua 当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时C Ca将改变，必须重新校正灵敏度值将改变，必须重新校正灵敏度值。压电元件上产生的电压值压电元件上产生的电压值immicadUFCCC 2、

16、电荷放大器、电荷放大器 电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益其基本电路如图。若放大器的开环增益A0足够大，并且足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有电流，放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有电流，运算电流仅流入反馈回路运算电流仅流入反馈回路CF与与RF。电荷放大器原理电路图电荷放大器原理电路图CFA0CaUUSCiRaqRFiCaFoCCCCAQAU )1 (00Ca 传感器压电元件的电容；传感器压电元件的电容； Cc电缆电容；电缆电容；Ci 放大器输入电容；放大器输入电容；CF

17、放大器反馈电容放大器反馈电容 FFSCcfCQCAQAUU 001 可见可见当当A0足够大足够大时，输出电压与时，输出电压与A0无关，只取无关，只取决于决于输入电荷输入电荷q和反馈电容和反馈电容CF，改变，改变CF的大小便可的大小便可得到所需的电压输出。得到所需的电压输出。 CF一般取值一般取值100- -104pF。电荷放大器原理电路图电荷放大器原理电路图CFA0CaUUSCiRaqRF 因为因为 ，而，而 时，放大器的输出电压可以表示为：时，放大器的输出电压可以表示为：1A (1)ficaA CCCC 压电式力传感器压电式力传感器 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 集成压电式传感器集成

18、压电式传感器 煤气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置 压电式传感器在自来水管道测漏中的应用压电式传感器在自来水管道测漏中的应用压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电式力传感器压电式力传感器 压电式加速度传感器压电式加速度传感器产品产品压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 压电式动态力传感器压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用在体育动态测量中的应用案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析压电式玻璃破碎报警器压电式玻璃破碎报警器 集成压电式传感器集成压电式传感器 是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用是一种高性能、低成本动态微压传感器，产品采用压电薄膜压电薄膜作为换能材料作

19、为换能材料，动态压力信号通过薄膜变成电动态压力信号通过薄膜变成电荷量荷量，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传，再经传感器内部放大电路转换成电压输出。该传感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，感器具有灵敏度高，抗过载及冲击能力强，抗干扰性好，操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用操作简便，体积小、重量轻、成本低等特点，广泛应用于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。于医疗、工业控制、交通、安全防卫等领域。 脉搏计照片脉搏计照片 典型应用：典型应用： 脉搏计数探测脉搏计数探测 按键键盘，触摸键盘按键键盘，触摸键盘 振动、冲击、碰撞报警振动、冲击、碰撞报警 振动加速度测

20、量振动加速度测量 管道压力波动管道压力波动 其它机电转换、动态力检测等其它机电转换、动态力检测等 压电式传感器在自来水管道测漏中的应用压电式传感器在自来水管道测漏中的应用如果地面下有一条均匀的直管道某处如果地面下有一条均匀的直管道某处O点为漏点，点为漏点，振动振动声音声音从从O点向管道两端传播，点向管道两端传播，传播速度为传播速度为V，在管道上，在管道上A、B两点放两只传感器，两点放两只传感器，A、B距离为距离为L（已知或可测），（已知或可测），从从A、B两个传感器接收的由两个传感器接收的由O点传来的点传来的t0时刻发出的振时刻发出的振动信号所用时间为动信号所用时间为tA（=LA/V）和）和tB（=LB/V），