第5章压电式传感器

1、 。压电陶瓷位移器压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电加速度计压电警号压电警号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在晶体学中，可以把在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直将其用三根互相垂直的轴表示，其中，的轴表示，其中，纵纵轴轴Z Z称为称为光轴光轴，通过，通过六棱线而垂直于光轴六棱线而垂直于光轴的的X X轴轴称为称为电轴电轴，与，与X-XX-X轴和轴和Z-ZZ-Z轴垂直轴垂直的的Y-YY-Y轴轴 ( (垂直于六垂直于六棱柱体的棱面棱柱体的棱面) )称为称为机械轴机械轴。 ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX通常把沿电轴通常把沿电轴XX方

2、方向的力作用下产生电荷向的力作用下产生电荷的压电效应称为的压电效应称为“纵向纵向压电效应压电效应”，而把沿机，而把沿机械轴械轴YY方向的力作方向的力作用下产生电荷的压电效用下产生电荷的压电效应称为应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴，沿光轴ZZ方向方向受力则不产生压电效应受力则不产生压电效应。(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+Y+-X(a) FX=0P1P2P3FXXY+FX(b) FX0Y+-X-+FXFXP2P3P1+ZYXbl石英晶体切片tlbFddPXXXXX1111lbqPXXXXXFdq1111XXXX

3、XqFUdCC0rXlbCt 1111XXUtdd EttFXFX+ + + + + +(a)(b)XXt=d11UX+ + + + + + +(c)(d)FYFYXXYYXYFtldFtblbdq1212YXYFtldq12XYXXYXCFtldCqU11XUtldl11XEdll11直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后 但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强度测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的

4、极化强度总是以总是以电偶极矩电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的荷，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电极面上吸附吸附了一层了一层来自外界来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度，如图。程度，如图。 自由电

5、荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F逆压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况） 极化方向电场方向1.000.990.980.970.960.9520406080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系数系数相对于20的d11温度变化特性6543210100 200 300400 500 600t/相对介电常数居里点石英在高温下相对介电常数相对介电常数的温度特性ZZOOYYZXX35(a)(b)（YXl）35切型（a

6、）石英晶片原始位置（b）石英晶片的切割方位Y又如（又如（XYtl）5 /- -50 切型，它表示石英晶片原始位置的切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿厚度沿X轴方向，长度沿轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度轴方向，先绕厚度t逆时针旋逆时针旋转转5 ，再绕长度，再绕长度l顺时针旋转顺时针旋转50 ，如图。，如图。习惯符号表示法是石英晶体习惯符号表示法是石英晶体特有特有的表示法，它由两个大的表示法，它由两个大写的英文字母组成。例如，写的英文字母组成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、MT和和FC等。等。OO50ZZZYY5ZXY(a)石英晶片原始位置(b)石英晶片的切割方位压压电电晶晶片片按特定方

7、向切片按特定方向切片人工合成水晶人工合成水晶4、压电半导体材料、压电半导体材料 如如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，这种力敏器件具有灵，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波作为表面声波振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。振荡器的压电材料，可测取力和温度等参数。3 3、压电聚合物、压电聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强）是目前发现的压电效应较强的的聚合物薄膜聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不存在压电效应，但是它们具有不存在压电效应，但是它们具有

8、“平面锯齿平面锯齿”结构，存结构，存在抵消不了的在抵消不了的偶极子偶极子。经延展和拉伸后可以使分子。经延展和拉伸后可以使分子链轴链轴成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生成规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶自发极化偶极子极子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并为具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、容易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电稳定性好、频带宽。为提高其压电性

9、能还可以掺入压电陶瓷粉末，制成混合复合材料陶瓷粉末，制成混合复合材料( (PVF2PZT) )。 q电极压电晶体0raSSCtt 其电容量为：其电容量为： q电极压电晶体aaqUC因此，压电传感器还可因此，压电传感器还可以等效为以等效为电压源电压源Ua和一和一个电容器个电容器Ca的串联电路，的串联电路，如图如图 (b)。 q电极压电晶体CauaCaq(a)(b)压电传感器的等效电路压电传感器的等效电路（a a） 电压源电压源; ; （b b） 电荷源电荷源 实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容连接，连接导线的等效电容CC、

10、前置放大器的输、前置放大器的输入电阻入电阻Ri、输入电容、输入电容Ci对电路的影响就必须一起对电路的影响就必须一起考虑进去。考虑进去。压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 当考虑了压电元件的绝缘电阻当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整以后，压电传感器完整的等效电路可表示为：的等效电路可表示为：CaRaCcRiCiq压电传感器的压电传感器的完整等效电路完整等效电路Ca传感器的固有电容传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻CaRaCcRiCiqCa传感器的固

11、有电容传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻可见，压电传感器的绝缘电阻可见，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电与前置放大器的输入电阻阻Ri相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或相并联。为保证传感器和测试系统有一定的低频或准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在准静态响应，要求压电传感器绝缘电阻应保待在1013以以上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要上，才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求。与上相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦求。与上

12、相适应，测试系统则应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则传感器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。指示仪表或记录器中。(其中，测量电路其中，测量电路的关键在于高阻抗输入

13、的前置放大器。）的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）前置放大器的作用前置放大器的作用：一是将传感器的高阻抗输出：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。电信号。 前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈前置放大器电路有两种形式：一是用电阻反馈的的电压放大器电压放大器，其，其输出电压输出电压与与输入电压输入电压(即传感器即传感器的输出的输出)成成正比正比；另一种是用带电容板反馈的；另一种是用带电容板反馈的电荷电荷放大器放大器，其，其输出电压输出电压与与输入电荷输入电荷成成正比正比。由于电。由于电荷放大器电路的荷放大器电路

14、的电缆长度变化的影响不大电缆长度变化的影响不大，几乎，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)UaaaqUCsinmFFtaiaiRRRRRsinsinmamadFUtUtCFm作用力的幅值作用力的幅值; AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)UasinsinmamadFUtUtC33mF1()iaj RUdj R CC33mF1()iaj RUdj R CCUi的幅值的幅值Uim为为 2221)CCC(RRFd)(Uicam33im输入电压和作用力之间相位

15、差为输入电压和作用力之间相位差为 arctan () 2aciCCC RUi的幅值的幅值Uim为为 33222( )1()mimacid FRURCCC输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 arctan () 2aciCCC R3333201mmimacid FRd FUCCC Ui的幅值的幅值Uim为为 33222( )1()mimacid FRUR CCCAACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua33221imumaciUdKFCCCR33uacidKCCCA0CaUUSC电荷放大器原理电路图电荷放大器原理电路图iRaqCFRF1SCFFiUU

16、j CR01FFUA UjCR00111FFUjACAR根据上式画出等效电路图根据上式画出等效电路图A0CaRaRCUSCUqCF、RF等效到等效到A0的输入端时，电容的输入端时，电容CF将增大将增大( (1A0) )倍。倍。电导电导1RF也增大了也增大了( (1A0) )倍。所以图中倍。所以图中C=( (1A0) )CF；1/ /R=( (1A0) )RF，这就是所谓，这就是所谓“密勒效应密勒效应”的结果。的结果。运放输入电压运放输入电压输出电压输出电压001111aFaFj qUAjCACRR00001111SCaFaFj qAUAUAjCA CRR当当A0足够大时足够大时,传感器本身的传

17、感器本身的电容电容和和电缆长短电缆长短将将不影响不影响电荷放大器的输出。因此输出电压电荷放大器的输出。因此输出电压USC只决定于输入电只决定于输入电荷荷q及反馈回路的参数及反馈回路的参数CF和和RF。由于。由于1RFCF,则则001SCFFA qqUA CC 若考虑电缆电容若考虑电缆电容Cc，则有，则有可见当可见当A0足够大时，输出电压与足够大时，输出电压与A0无关，只取决于输入无关，只取决于输入电荷电荷q和反馈电容和反馈电容CF，改变，改变CF的大小便可得到所需的电的大小便可得到所需的电压输出。压输出。 CF一般取值一般取值100- -104pF。00001111SCacFaFj qAUAU

18、AjCCA CRR运算放大器的开环放大倍数运算放大器的开环放大倍数A0对精度有影响，当频率很对精度有影响，当频率很高时，则高时，则及及001SCacFA qUCCACSCFqUC 01SCSCacSCFUUCCUA C 401000100.011100A由此得由此得A0105。对线性集成运算放大器来说，这一要求。对线性集成运算放大器来说，这一要求是不难达到的。是不难达到的。 例例, ,Ca=1000pF, ,CF=100pF, ,Cc=( (100pF/m) )100m=105pF, ,当要求当要求1%时，则有时，则有则可计算产生的误差为则可计算产生的误差为当工作频率当工作频率很低时，分母中的

19、电导很低时，分母中的电导1/Ra+(1+A0)/RF与与电纳电纳jCaCc(1+A0)CF的值相当，电导就不可忽略。的值相当，电导就不可忽略。此时此时A0足够大，则足够大，则其幅值为其幅值为当当1/ RF = CF时时可见这是截止频率点的输出电压，增益下降可见这是截止频率点的输出电压，增益下降3dB时对应时对应的下限截止频率为的下限截止频率为 0001111SCFFFFj qAj qUAjA Cj CRR221/SCFFUqCR/(2)SCFUq C12LFFfR C可见压电式传感器配用电荷放大器时可见压电式传感器配用电荷放大器时, ,其低频幅值误差和其低频幅值误差和截止频率只决定于反馈电路的

20、参数截止频率只决定于反馈电路的参数RF和和CF, ,其中其中CF的大的大小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作小可以由所需要的电压输出幅度决定。所以当给定工作频带下限截止频率频带下限截止频率fL时时, ,反馈电阻反馈电阻RF值也可确定。如当值也可确定。如当CF=1000pF, ,fL=0.16Hz时时, ,则要求则要求RF109。 190arctanFFR C 当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量当传感器感受振动时，因为质量块相对被测体质量较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受较小，因此质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力，此力到与加速度

21、方向相反的惯性力，此力Fma。同时惯性。同时惯性力作用在压电陶瓷片上产生电荷为力作用在压电陶瓷片上产生电荷为 运动方向21345纵向效应型加速度纵向效应型加速度传感器的截面图传感器的截面图（一）（一） 压电式加速度传感器压电式加速度传感器其结构一般有其结构一般有纵向效应型纵向效应型、横向效横向效应型应型和和剪切效应型剪切效应型三种。纵向效应三种。纵向效应是最常见的是最常见的, ,如图。压电陶瓷如图。压电陶瓷4和质和质量块量块2为环型，通过螺母为环型，通过螺母3对质量块对质量块预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。预先加载，使之压紧在压电陶瓷上。测量时将传感器基座测量时将传感器基座5与被测对象与被测对象牢牢地紧固在一起。输出信