第6章压电式传感器

1、第6章 压电式传感器 6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路压电式传感器测量电路6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 本章知识要点本章知识要点1.正压电效应、逆压电效应正压电效应、逆压电效应的含义。的含义。2.压电式传感器的压电式传感器的工作原理工作原理。3.压电式传感器的压电式传感器的测量电路测量电路。我们先来看一个实验。在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应。“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁” 清代诗人

2、苏履吉赞颂鸣沙清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 分分 析析 1 1、为静电发声。鸣沙山沙粒在人力或风力的推动下向下流泻，、为静电发声。鸣沙山沙粒在人力或风力的推动下向下流泻，含有石英晶体的沙粒互相摩擦产生静电。静电放电即发出声响，含有石英晶体的沙粒互相摩擦产生静电。静电放电即发出声响，响声汇集，声大如雷。响声汇集，声大如雷。 2 2、为摩擦发声。天气炎热时，沙粒特别干燥而且温度增高。稍、为摩擦发声。天气炎热时，沙粒特别干燥而且温度增高。稍有摩擦，即可发出爆裂声，众声汇合一起便轰轰隆隆地鸣响。有摩擦，即可发出爆裂声，众声汇合一起便轰轰隆隆地鸣响。 3 3、为共鸣放大。沙山群峰之间形成了壑谷，是天然的共鸣箱

3、、为共鸣放大。沙山群峰之间形成了壑谷，是天然的共鸣箱。流沙下泻时发出的摩擦声或放电声引起共振，经过天然共鸣箱。流沙下泻时发出的摩擦声或放电声引起共振，经过天然共鸣箱的共鸣，放大了音量，形成巨大的回响声。的共鸣，放大了音量，形成巨大的回响声。 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示6.1 压电效应及压电材料压电效应及压电材料 对某些电

4、介质，沿着一定方向施力而使它变形时，对某些电介质，沿着一定方向施力而使它变形时，在它的两个表面上产生符号相反的电荷，在它的两个表面上产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。又重新恢复到不带电状态。 当作用力方向改变时，电荷当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。这种现象称的极性也随之改变。这种现象称压电效应压电效应。也称为正压。也称为正压电效应。电效应。 当在电介质极化方向施加电场时，这些电介质当在电介质极化方向施加电场时，这些电介质会产生几何变形，这种现象称为会产生几何变形，这种现象称为逆压电效应逆压电效应，也称，也称为为电致伸缩效应电致伸缩效应。(工业中

5、的微进给装置工业中的微进给装置)“蓝鳍金枪鱼-21”潜航器 自然界的大多数晶体都具有压电效应，如自然界的大多数晶体都具有压电效应，如石英晶石英晶体体，还有人造晶体，如，还有人造晶体，如钛酸钡钛酸钡、锆钛酸铅锆钛酸铅等。等。 分类：分类：压电晶体压电晶体、压电陶瓷压电陶瓷和和高分子材料高分子材料等等。等等。 具有压电效应的材料称为具有压电效应的材料称为压电材料压电材料。有哪些？有哪些？性能性能参数参数压电材料的特性参数压电材料的特性参数 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴体学中它可用三根互相垂

6、直的轴来表示，其中纵向轴Z ZZ Z称为称为光轴光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X XX X轴称轴称为为电轴电轴( (electrical axis) ；与；与X XX X轴和轴和Z ZZ Z 轴同时垂直的轴同时垂直的Y YY Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴机械轴。1 1石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应6.1.1 石英晶体石英晶体 天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形 从石英晶体上切下一片平行六面体从石英晶体上切下一片平行六面体晶体切片晶体切片，使，使它的晶面分

7、别平行于它的晶面分别平行于X X、Y Y、Z Z 轴，如图。并在垂直轴，如图。并在垂直X X轴方轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。双面镀银并封装双面镀银并封装图图6-2 石英晶体石英晶体(b) 切割方向；切割方向； (c) 晶片晶片 石英晶体化学式为石英晶体化学式为SiO2电轴电轴机械轴机械轴光轴光轴横向压电横向压电效应效应纵向压电效应纵向压电效应fxfy无压电无压电效应效应正六面体正六面体x光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴坐标轴坐标轴fxfyxxfdq11式中式中, d11为为x方向受力的压电系数。方向受力的压电系数。沿电轴沿电轴x方向施加作用力方向施加

8、作用力fx，在与，在与电轴电轴x垂直的垂直的平面上将产生电荷平面上将产生电荷qx ： 沿机械轴沿机械轴y方向施加作用力方向施加作用力Fy，则仍在，则仍在与与x轴垂轴垂直的直的平面上产生电荷平面上产生电荷qy： yyyfbadfbadq1112式中：式中：d12y轴方向受力的压电系数轴方向受力的压电系数,根据对称性，根据对称性， 有有d12=-d11； a、b晶体切片的长度和厚度。晶体切片的长度和厚度。与尺寸与尺寸无关无关与尺寸与尺寸有关有关压电系数压电系数中两个下标的含义如下：下标中两个下标的含义如下：下标i表示晶体的极表示晶体的极化方向，当产生电荷的表面垂于化方向，当产生电荷的表面垂于x轴轴

9、( (y轴或轴或z轴轴) )时，记时，记i=1( (或或2，3) )。下标。下标j=1或或2，3，4，5，6，分别表示沿，分别表示沿x轴、轴、y轴、轴、z轴方向的单向应力，和在垂直于轴方向的单向应力，和在垂直于x轴、轴、y轴轴、z轴的平面（即轴的平面（即yz平面、平面、zx平面、平面、xy平面）内作用的平面）内作用的剪切力。剪切力。总结：三个极化方向，总结：三个极化方向，六种力，共六种力，共1818种系数。种系数。例如：例如：d d1212含义含义 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子和

10、氧离子O2-在在Z Z平面投影平面投影，如图如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形中正六边形排列，图中排列，图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。 硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在硅氧离子在Z Z平面上的投影平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影等效为正六边形排列的投影2 2石英晶体产生压电压电效应的机理石英晶体产生压电压电效应的机理(b)(a)+-YXXY+ 当作用力当作用力F FX X=0=0时，正、负离子正好时，正、负离子正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成分布在正六边形顶角上，形成三

11、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，此时正，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即于零，即 P P1 1P P2 2P P3 30 0 Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX+-P1P2P3 当晶体受到沿当晶体受到沿X X方向压力方向压力F FX X作用时，作用时，晶体沿晶体沿X X方向将产生收缩，正、负离子相方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，此时电偶极矩在对位置随之发生变化，此时电偶极矩在X X方向的分量为方向的分量为( (P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3

12、) )X X00； 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 Y=0 =0 （P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 3）Z Z=0=0Y+-X-+FXFXP2P3P1+（P1+P2+P3）X（Ca+Cc+Ci）6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 6.3.1 压电式压电式测力测力传感器传感器 压电式单向测力传感器主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.10.5mm，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向压电效应， 通过

13、d11实现力电转换。 石英晶片的尺寸为81mm。该传感器的测力范围为050N，最小分辨率为0.01 N，固有频率为5060 kHz，整个传感器重为10 g。 6.3.2 压电式压电式加速度加速度传感器传感器 压电式加速度传感器主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，并由螺栓加以固定。 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数， 即 F=ma式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力； m质量块的质量；质量块的质量； a加速度。加速度。 此时惯性力F作用于压电元件上，因而产生电荷q，

14、当传感器选定后，m为常数， 则传感器输出电荷为 q=d11F=d11ma 与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。 补充补充 压电传感器的应用压电传感器的应用 一、高分子压电材料的应用一、高分子压电材料的应用 1. 玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。 粘贴粘贴位置位置高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块 将厚约将厚约0.2m

15、m左右的左右的PVDF薄膜裁制成薄膜裁制成10 20mm大小。在它大小。在它的正反两面各喷涂透明的二氧化的正反两面各喷涂透明的二氧化锡导电电极，再用超声波焊接上锡导电电极，再用超声波焊接上两根柔软的电极引线。并用保护两根柔软的电极引线。并用保护膜覆盖。膜覆盖。 使用时，用瞬干胶将其粘使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷动，表面产生电荷Q ，在两个，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。号。压电传感器只能应用于动态测量压电传感器只能应用于动态测量 由于外力

16、作用在压电元件上产生的电荷只有由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器此压电式传感器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（一般必须高于（一般必须高于100Hz100Hz，但在，但在50kHz50kHz以上时，灵敏以上时，灵敏度下降）。度

17、下降）。 2 2压电式周界报警系统压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）（用于重要位置出入口、周界安全防护等） 将长的压电电缆埋在将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内作用，可在几十米范围内探测人的步行探测人的步行, 对轮式或履对轮式或履带式车辆也可以通过信号带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。为测量系统的输出波形。3.3.交通监测交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息

18、（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。控）及机场滑行道等。高分子压电高分子压电电缆的应用电缆的应用演示演示 将两根高分子压电电缆相距将两根高分子压电电缆相距若干米若干米，平行埋设于柏油公路，平行埋设于柏油公路的路面下约的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。 二、压电陶瓷传感器的应用二、压电陶瓷传感器的应用 压电片的并联接法压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常压电陶瓷多制成片