压电效应传感器

1、压电式传感器压电式传感器是有源的双向机电传感器。它利用压电材料的压电效应实现信息转换。当 压电材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。一、压电效应某些物质，当沿着一定方向施加压力或拉力时，会发生形变，其内部就产生极化现象， 同时，其外表面上产生极性相反的电荷；当外力拆掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力 方向反向时，电荷极性也相反；电荷量与外力大小成正比。这种现象叫正压电效应。如图1 所示。图1 （正）压电效应反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤 销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。压电效应的可逆性如图2所示。利用 这

2、一特性可实现机一电能量的相互转换。正压电效应机械能 压电介质 .电能逆压电效应图2压电效应的可逆性压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。大多数晶体都具有压电效应，而多 数晶体的压电效应都十分微弱。随着对压电材料的深入研究，发现石英品体和人造压电陶瓷 是性能优良的压电材料。1、石英晶体的压电效应石英是硅石的一种，现在已能人工制造，它的化学成分是siO 2，其品体单元的形状为六 角锥体。如图3所示。（a）（b）（c）图3石英晶体石英晶体个方向的特性不同。为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶 体内画出三种几何对称轴，连接两个锥顶点的一根轴Z叫光轴，它是晶体的对称轴，光线沿Z 轴

3、通过晶体时，不产生双折射现象，因而以它作为基准轴，也叫中性轴；连接品体横截面中 对角线的三条轴X叫电轴，该轴的压电效应最为显著；横截面中与电轴相互垂直的三条轴Y叫 机械轴，在此轴上加电场，产生机械形变最大，故也叫力轴。若从晶体上沿y方向切下一块如图3（c）所示的晶片，当在电轴x方向施加作用力时， 在与电轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为 TOC o 1-5 h z q = d F（1）其中d”为x方向受力时的压电系数，f为作用力。若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力F,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷 q ,其大小为 HYPERLINK l bookmark11 o Current Doc

4、ument q = d F = d F（2）其中di2为y轴方向受力的压电系数，因为石英轴对称，故2=-d” ； a、b为品体切片长度 的和厚度。电荷q和q的符号由所受力的性质（拉力or压力）决定。q的大小与晶片几何x yx尺寸无关，而q与晶片几何尺寸有关。图4为品体切片在x轴和y轴方向受拉力和压力的具 体情况。y（a）（b）（c）（d）图4晶体片上电荷极性与受力方向的关系如果在片状压电品体材料的两个电极面上加以交流电压，那么石英晶体片将产生机械振 动，即晶体片在电极方向有伸长和缩短现象，这种电致伸缩现象即为逆压电效应。石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。在每个晶体单元中，有三个硅离子和六

5、个 氧离子，在垂直于Z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列，如图5所示。 + ”表 示 Si 4+，“一” 表示 O 2-。 TOC o 1-5 h z （a）（b）（c）图5石英品体压电效应示意图当不受外力时，正负六个离子（SZ 4+和。2 一）分布在正六边形的六个顶点上，形成三个120夹角的电偶极矩p ,p ,p。此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即123 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document p + p + p = 0（3）品体表面不带电荷，呈电中性。如2图53（a）所示。当受到沿x方向的压力作用时，品体受压缩而产生形变，

6、正负离子相对位置发生改变， 此时键角也随之改变，电偶极矩p减小，p、p增大，因此在X方向上的电偶极矩不为零， 123p+p+p 0，在X轴正向的晶体表面上出现正电荷，反向表面出现负电荷。电偶极矩在 123匕Z轴方向上的分量都为零，因此无电荷出现。如图5（b）所示。当受到沿r轴方向的压力时，p增大，p、p减小，因此在x方向上的电偶极矩不为零， 123p+p+p 0，在X轴正向的晶体表面上出现负电荷，反向表面出现正电荷。电偶极矩在 123r,z轴方向上的分量都为零，因此无电荷出现。如图5（c）所示。如果受到沿z轴方向的作用力，品体中的硅离子和氧离子沿z轴平移，因此电偶极矩矢 量和等于零，表面沿z轴

7、方向受力时，并无压电效应。2、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是一种经过极化处理后的人工多晶铁电体。多晶是指它由无数细微的单品组成， 所谓铁电体是指它具有类似铁磁材料磁畴的电畴结构，每个单品形成一单个电畴，这种自发 极化的电畴在极化处理之前，个品粒内的电畴按任意方向排列，自发极化的作用相互抵消， 陶瓷的极化强度为零，因此，原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性。为使其具有压 电性，就必须在一定温度下做极化处理。%|电蜀图6陶瓷极化过程示意图/，成+十+十一十一一白山电荷+ + + + T 图7束缚电荷与自由电荷排列示意图所谓极化处理，是指在一定温度下，以强直流电场迫使电畴自发极化的方向转到与外加

8、电场方向一致，作规则排列，此时压电陶瓷具有一定的极化强度，再使温度冷却，撤去电场， 电畴方向基本保持不变，余下很强的剩余极化电场，从而呈现压电性，即陶瓷片的两端出现 束缚电荷，一端为正，另一端为负。如图6所示。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两 端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，故此 陶瓷片对外不呈现极性。如图7所示。如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚 电荷之间距离变小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在其表面的自由电荷，有一部 分被释放而呈现放电现象。当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸

9、附一 部分自由电荷而出现充电现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变 为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力成正比例关系q = d F（4）其中d33是压电陶瓷的压电系数，F为作用力。压电陶瓷在极化方向上的压电效应最明显。我们把极化方向叫Z轴，垂直于Z轴平面上 的任何直线都可作为x轴（或y轴）。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵 敏度较高，但剩余极化强度和特性受温度影响较大。最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO ）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混 3合后烧结而成。它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低，

10、最高只有70C，温度稳 定性和机械强度都不如石英。目前使用较多的压电陶瓷是锆钛酸铅（PZT系列），它是钛酸钡（BaTiO,）和锆酸铅 （PbZrO 3）组成的Pb（ZrTi）03。它有较高的压电系数和较高的工作温度。铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸铅（Pb（Mg1/3-Nb2/ 3）03 ）、 锆酸铅和钛酸铅按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，它具有较高的压电系数和较高的工 作温度，而且能承受较高的压力。二、压电传感器的等效电路和测量电路1、压电晶片的连接方式制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用， 由于压电晶片有电荷极性，因此压电晶

11、片的连接方式有并联和串联两种，如图8所示。（a）并联（b）串联图8两块压电晶片的连接方式并联连接的压电传感器输出电容及极板上的电荷分别为单块品体片的两倍，而输出电压 与单片上的电压相等，即C = 2C, q= 2q, U = U（5）串联时，输出电荷等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容为单片的1/2, 即C = C /2, q = q, U = 2U（6）由此可见，并联接法虽然输出电荷大，但由于电容也增大，时间常数T=OC大，故只适 用测量缓变信号，并以电荷作为输出。串联接法输出电压高，本身电容小，适用以电压作为 输出信号，且要求测量电路的输入阻抗很高。因为压电晶片的接触面不可能

12、绝对平坦，在制作和使用传感器时，要使压电晶片有一定 的预应力，以保证全面均匀接触，但预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度2、压电传感器的等效电路当压电晶片受力时，在晶片的两个表面上分别聚集等量的正、负电荷，因此，晶片的两 表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，于是，压电晶片相当于（7）一只平行板介质电容器，如图9所示，其电容量为 厂 8 8 S 8 S c.-r 3其中S为极板面积，七为压电材料的相对介电常数，8 0为真空介电常数，d为压电元件的厚 度。O图9压电晶片的等效电路压电传感器可以等效为一个电压源U = q/C和一只电容C的串联，如图10（a）所示， 由

13、图可知，只有在外电路负载R无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长期保持 不变，如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数RCa按指数规律放电。因此，必须在压 电传感器上加交变力，电荷才能不断得到补充，供给测量电路一定的电流，故压电传感器只 适宜作动态测量。压电传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联，此时，电路被视为一个电荷发生 器，如图10（b）所示。压电式传感器在实际使用中，总要与测量仪器或电路相连接，因此还必须考虑连接电缆 的等效电容C、放大器的输入阻抗R.和输入电容。，这样，压电式传感器在测量系统中的等 效电路如图11所示，图中C和R分别为传感器的电容和漏电阻。; ; : :（

14、a）电压源（h）电荷源图11压电传感器在测量系统中的等效电路3、压电传感器的测量电路压电器件既然是一个有源电容器，必然存在与电容传感器一样的应用弱点，即高内阻、 小功率的问题，应加以解决。首先，由于功率小，输出能量微弱，必须进行前置放大；其次， 由于高内阻，必须进行前置阻抗变换，将传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。因此，前 置放大器有两种作用：一是放大传感器输出的微弱信号；二是将它的高阻抗输出变换成低阻 抗输出。压电传感器的测量电路前置放大器，对应于电压源和电荷源，也有两种形式：电压 放大器和电荷放大器。（1）电压放大器图11（a）可简化为图12的形式，其中R为R和R的并联等效电阻，C为C和

15、C的并 TOC o 1-5 h z ac i联等效电容，即R = H（8）Ra + R HYPERLINK l bookmark43 o Current Document C = C + C（9）若压电元件上沿电轴方向施加交变力F = F sinot，则产生的电荷和电压均按正弦规律变化， m其电压为q d - F d - F .U = =m sin w tC C C（10）其中d为压电系数。图12电压放大器简化电路根据图12,得到送入到放大器输入端的电压为U -M.1. R/冲-dF.i C 1 R / jwC1/ jwC + R1 + jwR(C + C)e+ 一 ejwC1/ jwC +

16、R（11）则前置放大器的输入电压幅值u i为d - F - Rm打 +2R2（C + C + C ）2输入电压和作用力之间的相位差为（12）-R(C + C + C )（13）在理想情况下，传感器的绝缘电阻Rd和前置放大器的输入电阻R,都非常大，即 wR（C + C +。小，也无电荷泄漏，这时前置放大器输入电压的幅值为U - d - F w Ri 理想-C + C + C实际输入电压幅值与理想输入电压幅值比值为U /L1U 想 J1 + （w / w ）2其中w1 -1/ R（C + C + C） - 1/T，- R（C + C + C ）为测量回路的时间常数。则相角可表示 为（14）（15）

17、（16）电压幅值比、相角中与频率比w/w的关系曲线，如图13所示。由图13看到： 1当w-0，即作用于压电元件上的是一个静态力时，前置放大器的输入电压为零，因为电荷通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉了。因此，压电传感器不能用于静态 测量。当1/ 3,即1 ot 1时，有（18）可见连接电缆不宜过长，且不能随意更换电缆，否则会使传感器实际灵敏度与出厂校正灵敏度不一致，导致测量误差。图14是由运算放大器构成的电压比例放大器，该电路输入阻抗极高，输出阻抗很小，是一种较理想的石英晶体的电压放大器。图13电压幅值比、相角与频率比的关系曲线图14运算放大器式电压放大器（2）电荷放大器由于电压放大器

18、的点了灵敏度将随电缆电容、传感器自身电容的变化而变化，且更换电缆又要重新定标，很麻烦，为此发展了便于远距离测量的电荷放大器，如图15所示。电荷放 大器是一个有反馈电容C的高增益运算放大器，其等效电路中忽略了 Rd和R的并联等效电 阻R，因为它们非常大，反馈电阻R也可忽略。 1图15常用的电荷放大器的等效电路图中A为运算放大器增益，由于运算放大器具有极高的输入阻抗，因此放大器的输入端 几乎没有分流，电荷q只对反馈电容C充电，充电电压接近放大器的输出电压（19）其中。放大器输出电压；Uf反馈电容Cf两端的电压。输入端可等效一电容C = C +C +C和一电压源U = q / C。可以得到U - Ui1/沁CU -U= i 01/ jCf（20）代入U =-U0/ K u U0 = -KU和U = q / C得到电荷放大器的输出电压U 0 =-C + C + C +(1 + A)C a c if（21）通常 K = 104 106，因此(1 + K)% C + C + C，则得到（22）输出灵敏度为1Cf（23）由式（22）和（23）可以看出，电荷放大器的输出电压与电荷q成正比