压电式传感器(微课竞赛用)

1、6.16.1压电效应及压电材料压电效应及压电材料6.26.2压电传感器测量电路压电传感器测量电路6.36.3压电式传感器的应用压电式传感器的应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应某些介质材料的压电效应, 是是典型的典型的有源传感器有源传感器。 当材料当材料受力作用受力作用而而变形变形时时, 其其表面会有电荷表面会有电荷产生，从而实现非产生，从而实现非电量测量。电量测量。 压电传感元件是压电传感元件是力敏感元件力敏感元件，所以它能，所以它能测量测量最终能变换为力的最终能变

2、换为力的那些物理量那些物理量，例如力、压力、加速度等。，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有体积小压电式传感器具有体积小, 重量轻重量轻, 工作频带宽等特点工作频带宽等特点, 因此在因此在各种动态力、各种动态力、 机械冲击与振动的测量机械冲击与振动的测量, 以及声学、以及声学、 医学、力学、宇医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。航等方面都得到了非常广泛的应用。 压电式传感器是基于某些物质的压电效应原理工作的。按转换压电式传感器是基于某些物质的压电效应原理工作的。按转换方式压电效应可以分为方式压电效应可以分为正压电效应正压电效应和和逆压电效应逆压电效应。6.1 6.1 压电效应及

3、压电材料压电效应及压电材料雅克雅克居里（居里（Jacques Curie）（1856年年10月月29日日-1941年），年），法国物理学家，蒙彼利埃大法国物理学家，蒙彼利埃大学教授。学教授。皮埃尔皮埃尔居里居里 (Pierre Curie) (1859 -1906)居里兄弟居里兄弟压电效应压电效应 他们发现了一些晶体在某一特定他们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。消失。 1881年，他们发表了关于石英与年，他

4、们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。电气石中压电效应的精确测量。 1 8 8 2 年 ， 他 们 证 实 了 李 普 曼年 ， 他 们 证 实 了 李 普 曼(GLippmann)关于逆效应的预言：电关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。场引起压电晶体产生微小的收缩。 利用压电现象，他们还设计了一利用压电现象，他们还设计了一种种压电石英静电计压电石英静电计居里计居里计。 某些电介质某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部其内部就产生极化现象就产生极化现象, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷同时在它的两个表面上便产

5、生符号相反的电荷, 当外力去掉后当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态，这种现象称其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应压电效应。当作用力方向改变时当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。电荷的极性也随之改变。 正压电效应是一种没有外电场作用只是形变产生的极化现象，正压电效应是一种没有外电场作用只是形变产生的极化现象，有时人们把这种有时人们把这种机械能转为电能机械能转为电能的现象的现象, 称为称为“正压电效应正压电效应” 。电介质在沿一定方向上受到外力电介质在沿一定方向上受到外力 产生变形产生变形 外力去掉，回到不带电状态外力去掉，回到不带电状态 内部产生极化现象，表面产生电荷内部

6、产生极化现象，表面产生电荷 压电效应动画演示压电效应动画演示 反之，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外反之，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸缩效应电致伸缩效应）。）。极化方向上施加交变电场极化方向上施加交变电场 产生机械变形产生机械变形 去外加电场，变形消失去外加电场，变形消失 逆压电效应动画演示逆压电效应动画演示 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, 压电材料能实

7、现压电材料能实现机机电能电能量的相互转换量的相互转换, 如下图所示。如下图所示。 压电材料压电材料（1 1）压电晶体）压电晶体 石英晶体外形图石英晶体外形图 （1 1）压电晶体）压电晶体 天然形成的石英晶体外形图天然形成的石英晶体外形图 （2 2）压电陶瓷）压电陶瓷 压电陶瓷外形图压电陶瓷外形图 压电陶瓷的压电陶瓷的压电系数比石英晶体的压电系数大得多压电系数比石英晶体的压电系数大得多，因此其，因此其灵灵敏度较高敏度较高。 压电陶瓷压电陶瓷制品制品正压电效应正压电效应的应用主要用于的应用主要用于燃气点火器燃气点火器，基本工作原理是：，基本工作原理是：由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电

8、陶瓷柱产生一个数千伏由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一个数千伏的高压形成放电火花，点燃可燃气体。的高压形成放电火花，点燃可燃气体。 煤气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置 煤气灶电子点火装置如上图所示。当按下手动凸轮开关煤气灶电子点火装置如上图所示。当按下手动凸轮开关1时，把气阀时，把气阀6打打开，同时凸轮凸出部分推动冲击砧开，同时凸轮凸出部分推动冲击砧2，使得弹簧，使得弹簧3被冲击砧被冲击砧2向左压缩，当凸向左压缩，当凸轮凸出部分离开冲击砧时，由于弹簧弹力作用，冲击砧猛烈撞击陶瓷压电组轮凸出部分离开冲击砧时，由于弹簧弹力作用，冲击砧猛烈撞击陶瓷压电组件件4，产生压电效应

9、，从而在正负两极面上产生大量电荷，正负电荷通过高，产生压电效应，从而在正负两极面上产生大量电荷，正负电荷通过高压导线压导线5在尖端放电产生火花，使得燃气被点燃。在尖端放电产生火花，使得燃气被点燃。 燃气灶压电陶瓷打火器不仅使用方便，安全可靠，而且使用寿命长，据燃气灶压电陶瓷打火器不仅使用方便，安全可靠，而且使用寿命长，据有关资料介绍，采用压电陶瓷制成的打火器有关资料介绍，采用压电陶瓷制成的打火器可使用可使用100万次以上万次以上。 压电陶瓷压电陶瓷制品制品逆压电效应逆压电效应的应用主要用于的应用主要用于压电蜂鸣器压电蜂鸣器，基本工，基本工作原理是：当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变

10、即作原理是：当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。 应用此特性还可以制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电应用此特性还可以制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子元件。子元件。高分子压电材料外形图高分子压电材料外形图 有机压电材料有机压电材料 有机压电材料属于新一代的压电材料。有机压电材料属于新一代的压电材料。主要有主要有压电半导体压电半导体和和高分子压电材料高分子压电材料。 ZXY理想石英晶体的外形理想石英晶体的外形 - -石英具有如右图所示的规则的石英具有如右图所示的规则的几何形状，它是一个六

11、棱柱，两端是几何形状，它是一个六棱柱，两端是六棱锥；六棱锥；-石英是各向异性体，即在石英是各向异性体，即在各个方向晶体性质是不同的。各个方向晶体性质是不同的。 ZXY 在晶体学中，有三根互相垂直的轴：在晶体学中，有三根互相垂直的轴： Z Z轴是晶体的对称轴，光线沿它通过轴是晶体的对称轴，光线沿它通过晶体不产生双折射现象，故作为基准轴晶体不产生双折射现象，故作为基准轴( (称称Z Z轴为轴为光轴光轴) )，在该轴方向上没有压电在该轴方向上没有压电效应效应； X X轴穿过正六棱柱的棱线轴穿过正六棱柱的棱线( (称称X X轴为轴为电电轴轴) )，因为六棱柱有三根，因为六棱柱有三根X X轴，可任取一根

12、；轴，可任取一根； Y Y轴经过正六面体的棱面而垂直于光轴和电轴轴经过正六面体的棱面而垂直于光轴和电轴( (称称Y Y轴为轴为机机械轴械轴) )，Y Y轴也有三根，可取任一根。轴也有三根，可取任一根。 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石英晶体的硅离子SiSi4+4+和氧离子和氧离子O O2-2-在在XYXY平面投影，如图平面投影，如图(a)(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)(b)中正六边形排列，中正六边形排列，图中图中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O

13、2O2-2-。 ( (b b) )( (a a) )YXXY硅氧离子的排列示意图硅氧离子的排列示意图（a a）硅氧离子在）硅氧离子在XYXY平面上的投影平面上的投影（b 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 当石英晶体未受外力作用时当石英晶体未受外力作用时, , 正、负离子正好分布在正正、负离子正好分布在正六边形的顶角上六边形的顶角上, , 形成三个互成形成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P P1 1、 P P2 2、P P3 3。 如下图（如下图（a a）所示。）所示。 因为因为P=qL, qP=qL, q为电荷量为电荷量, L, L为正负电荷之间距离。为正

14、负电荷之间距离。 此时正此时正负电荷重心重合负电荷重心重合, , 电偶极矩的矢量和等于零电偶极矩的矢量和等于零, , 即即P P1 1+P+P2 2+P+P3 3 = 0, = 0, 所以晶体表面不产生电荷所以晶体表面不产生电荷, , 即呈中性。即呈中性。 当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿x x轴方向的压力作用时轴方向的压力作用时, , 晶体沿晶体沿x x方向方向将产生压缩变形将产生压缩变形, , 正负离子的相对位置也随之变动。如下图正负离子的相对位置也随之变动。如下图 （b b）所示）所示, , 此时正负电荷重心不再重合此时正负电荷重心不再重合, , 电偶极矩在电偶极矩在x x方向方向上的分

15、量由于上的分量由于P P1 1的减小和的减小和P P2 2、P P3 3的增加而不等于零的增加而不等于零, , 即即（P P1 1+P+P2 2+P+P3 3）x x 0 0 0 。在。在x x轴上出现电荷轴上出现电荷, , 它的极性为它的极性为x x轴正向为正电荷。在轴正向为正电荷。在y y轴轴方向上不出现电荷。方向上不出现电荷。 这种沿这种沿Y Y轴方向施加力，而在垂直于轴方向施加力，而在垂直于X X轴的晶体表面上产轴的晶体表面上产生电荷的现象，称为生电荷的现象，称为“横向压电效应横向压电效应”。 当作用力当作用力f fx x、f fy y的方向相反时的方向相反时, , 电荷的极性也随之改

16、变。电荷的极性也随之改变。 如果沿如果沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力, , 因为晶体在因为晶体在x x方向和方向和y y方向所产生的形变完全相同方向所产生的形变完全相同, , 所以正负所以正负电荷重心保持重合电荷重心保持重合, , 电偶极矩矢量和等于零。电偶极矩矢量和等于零。这表明沿这表明沿z z轴方向施加作用力轴方向施加作用力, , 晶体不会产生压晶体不会产生压电效应。电效应。 ZXY 如果如果-石英晶体在各个方向同时受到均等的作用力（如浸没石英晶体在各个方向同时受到均等的作用力（如浸没在液体里），石英晶体将保持电中性。在液体里），石英晶体将保持电中性。 石英晶体晶片石英晶体晶片

17、若从晶体上沿若从晶体上沿y y方向切下一块如图右方向切下一块如图右图所示晶片图所示晶片, , 当在电轴方向施加作用力当在电轴方向施加作用力F Fx x时时, , 在与电轴在与电轴x x垂直的平面上将产生电荷，垂直的平面上将产生电荷，其大小为：其大小为：xxFdq11 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。6.3 6.3 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 下图是压电式单向测力传感器的结构图下图是压电式单向测力传感器的结构图, , 它主要由石英晶片、它主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。绝缘套、电极、上盖及基座等组成。 传感器上盖为传力元件传感器上盖为传力元

18、件, , 它的外缘壁厚为它的外缘壁厚为0.10.10.5mm, 0.5mm, 当外力当外力作用时作用时, , 它将产生弹性变形它将产生弹性变形, , 将力传递到石英晶片上。将力传递到石英晶片上。压电式单向测力传感器结构图压电式单向测力传感器结构图 传感器上盖为传力元件传感器上盖为传力元件, , 它的外缘壁厚为它的外缘壁厚为0.10.10.5mm, 0.5mm, 当外力当外力作用时作用时, , 它将产生弹性变形它将产生弹性变形, , 将力传递到石英晶片上。石英晶片采将力传递到石英晶片上。石英晶片采用用xyxy切型切型, , 利用其利用其纵向压电效应纵向压电效应, , 通过通过d d1111实现力

19、实现力电转换。为了提电转换。为了提高传感器的输出灵敏度，可以用两片或多片晶片粘贴在一起。高传感器的输出灵敏度，可以用两片或多片晶片粘贴在一起。 石英晶片的尺寸为石英晶片的尺寸为881mm1mm。该传感器的测力范围为。该传感器的测力范围为0 050N, 50N, 最小分辨率为最小分辨率为0.01, 0.01, 固有频率为固有频率为505060kHz, 60kHz, 整个传感器重整个传感器重10g10g。 压电式单向测力传感器结构图压电式单向测力传感器结构图 下图是一种压电式加速度传感器的结构图。下图是一种压电式加速度传感器的结构图。 它主要由压电元它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳整个部件装在外壳内内, , 并用螺栓加以固定。并用螺栓加以固定。 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, , 压电元件受质压电元件受质量块惯性力的作用量块惯性