传感器技术6压电式传感器中英对照

1、何为压电传感器何为压电传感器? ?压电式传感器(Piezoelectric sensors)是一种能量转换型传感器。它既可以将机械能(mechanical energy)转换为电能(electric energy) ，又可以将电能转化为机械能。压电式传感器是以具有压电效应的压电器件为核心组成的传感器。第第6章章 压电式传感器压电式传感器第第6章章 压电式传感器压电式传感器各种压电传感器各种压电传感器6.1 6.1 压电效应及材料压电效应及材料压电效应（压电效应（Piezoelectric EffectPiezoelectric Effect） 一些离子型晶体(ionic crystal)的电介

2、质(dielectric)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象(polarization)。且其电位移(electric displacement) D(在MKS单位制中即电荷密度-density of electric charge)与外应力张量(external stress tensor) T成正比： D = dT (6-1) 式中 d压电常数矩阵(piezoelectric constant matrix) 当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性(polarity)随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。第一节第一节 压电效应及材料压电效

3、应及材料逆压电效应逆压电效应(Converse piezoelectric effect) 若对上述电介质(dielectric)施加电场(electric field)作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度(intensity of electric field)E成正比： S=dtE （6-2） 式中 dt逆压电常数矩阵(它是d的转置矩阵-transposed matrix)。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩(Electrostriction)。6.1 压电效应及材料压电效应及材料（a）正电压效应 （b）压电效应的可逆性图6-1

4、压电效应6.1 压电效应及材料压电效应及材料压电材料的主要特性参数:压电常数(Piezoelectric Constant) 弹性常数(Elastic Constant)介电常数(Dielectric Constant)机电耦合系数(Electromechanical Coupling Coefficient )电阻(Resistance)居里点(Curie Point)6.1 压电效应及材料压电效应及材料压电材料压电材料(Piezoelectric materials)v压电晶体(单晶)Piezoelectric crystal (single crystal):包括压电石英晶体(quart

5、z crystal)和其他压电单晶v压电陶瓷(多晶) Piezoelectric ceramics (polycrystal)v新型压电材料:其中有压电半导体(piezoelectric semiconductor)和有机高分子(organic macromolecule)压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡(Barium Titanate)与钛酸铅(Lead Titanate)系列压电陶瓷。6.1 压电效应及材料压电效应及材料石英晶体石英晶体钛酸钡毛坯和晶体钛酸钡毛坯和晶体压电晶体 石英晶体(SiO2) 石英晶体俗称水晶，有天然和人工之

6、分。目前传感器中使用的均是以居里点为573，晶体的结构为六角晶系(hexagonal system)的-石英。其外形如图所示，呈六角棱柱体(hexagonal prism)。有m、R、r、s、x共5组30个晶面组成6.1 压电效应及材料压电效应及材料v压电石英的主要性能特点是：（1）压电常数小，其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20200范围内其温度变化率仅为0.016/；（2）机械强度和品质因素(quality factor)高，许用应力高达（6.89.8）107Pa，且刚度(rigidity)大，固有频率高，动态特性好；（3）居里点573，无热释电性，且绝缘性(insulativi

7、ty)、重复性(repeatability)均好。天然石英的上述性能尤佳。因此，它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。为了直观地了解其压电效应，将一个单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于Z轴的XY平面上投影，等效为图3-5（a）中的正六边形排列。图中“（+）”代表Si4+，“（-）”代表O2-。6.1 压电效应及材料压电效应及材料当石英晶体未受外力时，正、负当石英晶体未受外力时，正、负离子离子(ion)（即（即SiSi4+4+和和O O2-2-）正好分布）正好分布在在正六边形正六边形(regular hexagon)的顶角上，形成三个大小相等、互成的顶角上，形成三个大小相

8、等、互成120120夹角的夹角的电偶极矩电偶极矩(electric dipole moment) P P1 1、P P2 2和和P P3 3，如图，如图3-53-5（a a）所示。）所示。P=P=qlql，q q为电荷量，为电荷量，l l为正、负电荷之间的距离。电为正、负电荷之间的距离。电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩方向为负电荷指向正电荷。此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即偶极矩的矢量和等于零，即P P1 1+P+P2 2+P+P3 3=0=0。这时晶体表面不产生电荷，。这时晶体表面不产生电荷，整体上说它呈整体上说它呈电中性电中性(elec

9、tric neutrality) 。6.1 压电效应及材料压电效应及材料v当石英晶体受到沿X方向的压力FX作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，如图3-5（b）所示。电偶极矩在X方向的分量为（P1+P2+P3）X0，在X轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。而在Y轴和Z轴方向的分量均为零，即（P1+P2+P3）Y=0, （P1+P2+P3）Z=0，在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿X轴施加压力FX，而在垂直于X轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压纵向压电效应电效应”(longitudinal piezoelectric effect)。v 当石

10、英晶体受到沿Y轴方向的压力FY作用时，晶体如图3-5（c）所示变形。电偶极矩在X轴方向上的分量（P1+P2+P3）X（ Ca+Cc+Ci）时，认为传感器的灵敏度与电缆电容无关，更换电缆或使用较长的电缆时，不用重新校正传感器的灵敏度。6、为得到必要测量精度，Cf的温度和时间稳定性要好，实际电路中Cf的容量做成可选择的。7、电容负反馈线路在直流工作时，相当于开路状态，对电缆噪声较敏感，放大器零漂也较大，为减小零漂，提高工作稳定性，一般在反馈电容两端并联一个电阻Rf(1010-1014)提高直流反馈。8、由于运算放大器的时间常数RfCf可以做得很大，因此电荷放大器的低频下限FL可低达10-1-10-

11、4Hz，从而实现准静态测量6.3 等效电路和测量电路等效电路和测量电路6.4.1 6.4.1 压电式传感器压电式传感器一、压电式传感器应用特点：灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；体积小重量轻，刚度强度、承载能力和测量范围大，频带宽，动态误差小易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测。第四节第四节 压电式传感器及其影响因素压电式传感器及其影响因素 6.4 压电式传感器及其影响因素压电式传感器及其影响因素压电式加速度传感器压缩型(compressive type)剪切型(shearing type)复合型(composite type)6.4 压电式

12、传感器及其影响因素压电式传感器及其影响因素压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。它刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特 性好。按测力状态分，有单向 、双向和三向传感器，它们在 结构上基本一样。压电式力传感器6.4 压电式传感器及其影响因素压电式传感器及其影响因素必须通过弹性膜(elastic film)、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作压电元件。压电式压力传感器(pressure sensors)6.4 压电式传感器及其影响因素压电式传感器及其影响因素逆压电效应(converse piezoelectric effect)的应用也很广泛。基于逆压电效应（电致伸缩）的超声波发生器(ultrasonic wave generator)（换能器）和声表面波谐振器(acoustic surface wave oscillator)（振荡器）分别是超声检测和声表面波检测技术及仪器的关键器件。此外逆压电效应还可作力和微运动(micro-movement)（位移、速度、加速度）发生器压电致动