第六章压电式传感器

1、12 概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的料的压电效应压电效应，是典型的有源传感器。，是典型的有源传感器。 当某些材料当某些材料受力作用受力作用而变形时，其表面会有而变形时，其表面会有电荷产生电荷产生，从而实现非电量测量。，从而实现非电量测量。3 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号其内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态，相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态

2、，这种现象称这种现象称压电效应压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 这种机械能转为电能的现象，称为这种机械能转为电能的现象，称为“顺压电效应顺压电效应”。45反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在反之，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或机械压力；当外加电场撤去时，某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为象称为“逆压电效应逆压电效应”。67u压电材料可以分为两大类：压电材料可

3、以分为两大类：压电晶体压电晶体和和压电陶瓷压电陶瓷。前者。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。为晶体，后者为极化处理的多晶体。u他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。8ZXY纵向轴纵向轴Z称为称为光轴光轴经过正六面体棱线，经过正六面体棱线，并垂直于光轴的并垂直于光轴的X X轴称轴称为为电轴电轴与与X X轴和轴和Z Z轴同时垂直轴同时垂直的的Y Y轴（垂直于正六轴（垂直于正六面体的棱面）面体的棱面）称为称为机械轴机械轴 天然结构的石英晶体外

4、形是一个正六面体。石英晶体各天然结构的石英晶体外形是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。个方向的特性是不同的。9(a) (a) 晶体外形；晶体外形； (b) (b) 切割方向；切割方向； (c) (c) 晶片晶片 10石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。如图石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。如图所示是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在所示是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中图中“”代表硅离子代表硅离子SiSi4+4+，

5、“ “”代表氧离子代表氧离子2O2O2-2-。 11当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边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，形成三个互成形的顶角上，形成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3。 因为因为P = qL（q q为电荷量，为电荷量，L L为为正负电荷之间的距离），此时正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即的矢量和等于零，即 P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 30 0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。所以晶体表面不产生电荷，

6、呈电中性。12当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的压力时，晶体沿方向的压力时，晶体沿x方向将产生收缩，正、方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩重合，电偶极矩P P1 1减小，减小，P P2 2、P P3 3增大，它们在增大，它们在x方向上的分量方向上的分量不再等于零不再等于零: : (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 在在y y、z z方向上的分量为方向上的分量为: : (P P1 1+P+P2 2+P+P3 3)y=0 (P P1 1+P+P2 2+P+P3 3)z =0

7、+ + + + +X XY Y+ + + +- - - -P P1 1P P2 2P P3 3F FX XF FX X在在x x轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在y y、z z方向不出现电荷方向不出现电荷。13晶体受到沿晶体受到沿x方向的拉力方向的拉力P P1 1增大，增大， P P2 2、P P3 3减小减小 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 0 在在x x轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在y y、z z方向不出现电荷方向不出现电荷。16Y+-X-P2P3P1+ + + + +FYFY晶体受到沿晶体受到沿Y方向的压力方向的压力与与X X方向拉力相同

8、方向拉力相同 (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 在在x x轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在y y、z z方向不出现电荷方向不出现电荷。 这种沿这种沿Y Y轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于X X轴晶面上产生电轴晶面上产生电荷的现象即为荷的现象即为横向压电效应横向压电效应。171819Y Y+ + + +- - - -X XP P1 1P P2 2P P3 3受受Z Z轴力轴力: :晶体沿晶体沿x x方向和沿方向和沿y y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、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。负电荷中心保持

9、重合，电偶极矩矢量和等于零。在沿在沿z( z(即光轴即光轴) )方向的力方向的力FzFz 作用下，晶体不产生压电作用下，晶体不产生压电效应。效应。2011xxQdF为作用力。为作用力。11dxFFXFX+ + + + + +XX为为x x方向受力的压电系数；方向受力的压电系数；xQ为产生的电荷为产生的电荷21+ + + + + FYXFYX12yyaQdFb为作用力。为作用力。12dyF为为y y方向受力的压电系数方向受力的压电系数yQ为产生的电荷为产生的电荷1211dd 因石英轴对称因石英轴对称, ,a a：厚度：厚度 b b：宽度：宽度22 当晶片受到当晶片受到x x方向的压力作用时，方向

10、的压力作用时，q qx x只与作用只与作用力力x x成正比，而与晶片的几何尺寸无关；成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴沿机械轴y y方向向晶片施加压力时，产生的电方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应； 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；向上一定存在逆压电效应； 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）之间皆呈线性关系。与电荷（或电场强度）之间皆呈线性

11、关系。结论：结论：23无外电场作用时无外电场作用时总极化强度为零总极化强度为零外电场去掉后外电场去掉后具剩余极化强度具剩余极化强度施加外电场时施加外电场时电畴自发极化方向电畴自发极化方向与外电场一致与外电场一致24自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极 极化方向极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度束缚电荷会吸附自由电荷束缚电荷会吸附自由电荷陶瓷片对外不表现极性陶瓷片对外不表现极性25这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是电能的现象，就是正压电效应正压电效应

12、。 Fdq33d33 :压电陶瓷压电系数压电陶瓷压电系数F：作用力作用力 加外力加外力 极化方向极化方向F电畴偏转，极化强度电畴偏转，极化强度变小，自由电荷释放变小，自由电荷释放 2627逆压电效应：逆压电效应：由于电效应而转变为机械效应或者由由于电效应而转变为机械效应或者由电能转变为机械能的现象。电能转变为机械能的现象。 极 化极 化方向方向电场方向电场方向2829指压电材料开指压电材料开始丧失压电特始丧失压电特性的温度。性的温度。返回返回30 1 1、石英晶体、石英晶体 石英（石英（SiOSiO2 2）是一种具有良好压电特性的压电晶）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其体。其压电系数压电系

13、数的温度稳定性的温度稳定性相当好。相当好。 在在2020200200范围内，温度每升高范围内，温度每升高11，压电系数，压电系数仅减少仅减少0.0160.016。但是当到。但是当到573573时，它完全失去了压时，它完全失去了压电特性，这就是它的电特性，这就是它的居里点居里点。 斜率：0.016/1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20t石英的d11系数系数相对于20的d11温度变化特性31 优点：优点： 性能非常稳定性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。，机械强度高，绝缘性能也相当好。 缺点：缺点： 价

14、格昂贵价格昂贵，且，且压电系数比压电陶瓷低得多压电系数比压电陶瓷低得多。用于。用于标准仪器标准仪器或要求较高的传感器中。或要求较高的传感器中。 切割：切割： 各向异性晶体各向异性晶体，按不同方向切割，物理性质，按不同方向切割，物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。根据不同使用要求正确地选择据不同使用要求正确地选择石英片的切型石英片的切型。 组成：组成： 天然天然和和人工培养人工培养两种类型。因其物理和化学性质两种类型。因其物理和化学性质几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。几乎没有区别，广泛应用成本较低的人造石英晶体。32天然形成

15、的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形33人工合成水晶人工合成水晶双面镀银并封装双面镀银并封装压电晶片压电晶片石英晶体薄片石英晶体薄片石英晶体切片及封装34 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（）是由碳酸钡（BaCO3）和二）和二氧化钛（氧化钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压分子比例在高温下合成的压电陶瓷。电陶瓷。 它具有较大的它具有较大的压电系数压电系数约为石英晶体的约为石英晶体的50倍。不倍。不足之处是居里温度低（足之处是居里温度低（120），温度稳定性和机），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。械强度不如石英晶体。2 2、压电陶瓷、压电陶瓷

16、35 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅与钛酸钡相比，锆钛酸铅与钛酸钡相比，压电系数更大，居里压电系数更大，居里温度在温度在300300以上以上，各项机电参数受温度影响小，各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时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如锑、锡、锰、钨等）还可以获得其它微量元素（如锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的不同性能的PZTPZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中目前压电式传感器中应用最广泛应用最广泛的压电材料。的压电材料。 3637压电陶瓷外形超声波美

17、容仪器用压电陶瓷晶片超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用医用B超换能器用晶片超换能器用晶片38 由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的。路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的。 所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路定的电流，故压电传感器只宜作定的电流，故压电传感器只宜作动

18、态动态测量。测量。39在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。40并联连接并联连接+ + + -+ + + + -qq2CC2UU 并联接法输出电荷大，本身电容大，并联接法输出电荷大，本身电容大， 时间常数大，适时间常数大，适宜用在宜用在测量慢变信号测量慢变信号并且以并且以电荷作为输出量电荷作为输出量的场合。的场合。41串联连接串联连接+ + +

19、 -+ + + -+ qq 2CC UU2串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于测量串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于测量电电压作输出信号压作输出信号和和快变化信号快变化信号的场合。的场合。返回返回42由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集等量电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集等量的正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质的正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为等效于一种介质，则其电容量为: :eACd AA压电片的面积；

20、压电片的面积；dd压电片的厚度；压电片的厚度；压电材料介电常数。压电材料介电常数。43 q电极电极压电晶体压电晶体qCedAdACre0eCqU 静电发生静电发生器器电容器电容器44 压电传感器可等效为电压源压电传感器可等效为电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ce的串联电路，如图的串联电路，如图(a)；也可等效为一个电荷源；也可等效为一个电荷源q和一和一个电容器个电容器Ce的并联电路，如图的并联电路，如图(b)。 （a）电压等效电路CeUq/ Ceq UCeCe（b）电荷等效电路45C Cc c ：连接电缆等效电容：连接电缆等效电容 R Ri i ：放大器输入电阻：放大器输入电阻C Ci i

21、：放大器输入电容：放大器输入电容 R Rd d ：传感器泄漏电阻：传感器泄漏电阻实际等效电路实际等效电路46 压电传感器本身的内阻抗很高压电传感器本身的内阻抗很高(大于大于1010欧姆），欧姆），输出能量较小，给后续测量电路（放大电路）提出输出能量较小，给后续测量电路（放大电路）提出很高要求。很高要求。 为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电为了保证压电传感器的测量误差较小，它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为：作用为：一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传感器输出的微弱信

22、号。二是放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器信号，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。和电荷放大器。47电压放大器电压放大器iRcCiCaUiU0UAdReCaUiU0UAR CeC若压电元件材料受若压电元件材料受正弦力正弦力作用，则产生的电压值为作用，则产生的电压值为 sinsinmameedFqUtUtCCtFFmsinFm作用力的幅值作用力的幅值电压幅值电压幅值 emmCdFU压电系数压电系数48可得放大器输入端的电压可得放大器输入端的电压Ui，其复

23、数形式为，其复数形式为sin1()imej RUdFtj R CCaUiU0UAR CeCiRcCiCaUiU0UAdReC49221mimRdFU Ui的幅值的幅值Uim为为)(arctan2eCCR输入电压与作用力之间的相位差输入电压与作用力之间的相位差为为()diecidiR RCCCRRsin1()imej RUdFtj R CC50221imVmURdSF 001VS）（12）（这说这说明压电式传感器的明压电式传感器的高频响应相当好高频响应相当好压电传感器压电传感器不能测静态量不能测静态量。 为了得到好的低频响应特性，为了得到好的低频响应特性，越大越好，应大些，R灵敏度与连接电缆有关，更换电缆需要重新标定。灵敏度与连接电缆有关，更换电缆需要重新标定。5152例：压电式压力传感器例：压电式压力传感器Fdq1153例：压电式加速度传感器例：压电式加速度传感器madFdq33