压电式传感器

压电式传感器科技名词定义中文名称：压电式传感器英文名称：piezoelectrictransducer定义：将被测量变化转换成由于材料受机械力产生的静电电荷或电压变化的传感器。ra* >4LtTQT W法叩♦■罕寻KHf| ■a1?SM，1驱压电式传感器基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。目录压电效应压电材料测量电路压电材料常用的压电材料压电材料的主要特性参数展开压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。怖《（片 理匹独蔺折袒肘气、\r>囹3耶对式莎泅蛾电动代剧盖慰段压电式传感器正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式（见图）。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、错酸铋等。压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积，它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。压电式传感器大致可以分为4种，即：压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。测量电路由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常应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。前置放大器的作用有两点：其一是将传感器的高抗输出变换为低阻抗输出；其二是放大传感器输出的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压成正比；另一种是用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。压电材料明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。常用的压电材料压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯（PVDF）作为一种新型的高分子物性型传感材料得到广泛的应用。压电材料的主要特性参数（1） 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。（2） 压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3） 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4） 在压电效应中，机械耦合系数等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根;。（5） 衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（6） 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（7） 压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。压电转换压电关系表达式：Q=d*F，其中d：压电常数更一般表达式：电荷密度q ，（用单位面积受力表示）其中：i=1,2,3表示晶体极化方向，指的是与产生电荷的面垂直的方向；j=1,2,3,4,5,6表示受力方向，1〜3表示x,y.z向受力，4~6表示剪切力方向如q1表示法向矢量为x的两个面产生的电荷受x向（拉）力作用后在z方向产生电荷的表达式:受z向力作用后在z方向产生电荷的表达式：各表达式见图片：■言ft美扁出直戒二9&.FJ：压也弟能史--笛盅遥氏：■段引炭.II岳PtfcU'*耕.JI外反岛尸土电舌■ 本土：II工电血登方4粘・1-'A.tx-jfij*力-L・5由.T的,Fi也币法询羌it为*的所中布事盅对电疵饥肉14*1由「E!存府.^击询尸土圮卅E札洁/：孔・".『.•隹b血flflJil峪恩工寸由『也久新的总埠戒：n•孔队石英晶体结构石英(SiO2)晶体结晶形状为六角形晶柱。两端为一对称的棱锥，六棱柱是它的基本组织,纵轴z-z称作光轴,通过六角棱线而垂直于光轴的轴线x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴。如果从晶体中切下一个平行六面体，并使其晶面分别平行于z-z、y-y、x-x轴线，这个晶片在正常状态下不呈现电性。当施加外力时，将沿x-x方向形成电场，其电荷分布在垂直于x-x轴的平面上石英的压电效应电荷产生机理石英的化学式为SiO2，在一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，后者是成对的，所以一个和两个交替排列。当没有力作用时，硅离子和氧离子在垂直于晶体Z轴的XY平面上的投影恰好等效为正六边形排列，如上图a示。这时正负离子正好分布在正六边形的顶角上，呈现电中性。如果沿X方向压缩，如上图b所示，则硅离子1被挤入氧离子2和6之间，而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。这一现象称为纵向压电效应。若沿Y方向压缩，如上图c所示，硅离子3和氧离子2，以及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在X轴的端面上又呈现电荷，但与图b的极性正好相反，这时称为横向压电效应。从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在X或Y轴向施力时，在与X轴垂直的面上产生电荷，电场方向与X轴平行，在Z轴方向施力时，不能产生压电效应。石英晶体的压电机理分析石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。定义:x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强称为电轴。y：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大，称为机械轴。z:无压电效应，中心轴，也称光轴。当在电轴方向施加作用力时，在与电轴X垂直的平面上将产生电荷，其大小为Qx=dllFx0式中:dll——x方向受力的压电系数Fx 作用力若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为Qy=d12Fya/b式中:d12——y轴方向受力的压电系数d12=-d11a、b——晶体切片长度和厚度（1） 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3,P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。（2） 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩变形，正负电荷重心不再重合，在x轴的正方向出现正电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。（3） 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。（4） 如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。压电陶瓷压电晶体与压电陶瓷的比较：相同点：都是具有压电效应的压电材料。不同点：石英的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感器。极化后的压电陶瓷，当受外力变形后，由于电极矩的重新定位而产生电荷，压电陶瓷的压电系数是石英的几十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居里点也低。[1]m压电式传感器的等效电路电容效应等效原理1） 压电式传感器结构在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极，如图所示。2） 等效电容量当压电传感器受到沿其敏感轴向的外力作用时，就在两电极上产生极性相反的电荷，因此它相当于一个电荷源（静电发生器）。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表面聚集电荷时，它又相当于一个电容器，其电容量为沿x轴方向加力产生纵向压电效应，沿y轴加力产生横向压电效应，沿相对两平面加力产生切向压电效应。3） 等效电压当压电晶体受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，可求出其开路电压（负载电阻为无穷大时）压电式传感器的等效电路1） 、压电式传感器既可等效为电荷源又可等效为电容器，其等效电路可认为是二者的并联，如下图（a）所示；也可认为是一个电压源和一个电容器串联，如下图（b）所示。其中Ra为压电元件的漏电阻.2） 、压电式传感器测试系统等效电路压电式传感器工作时，需与二次仪表配套使用，此时的等效电路如下图所示。图中Cc为传感器电缆电容，Ri为放大器输入电阻，Ci为输入电容。压电元件的串并联单片压电晶片难以产生足够的表面电荷，在压电式传感器中常采用两片或两片以上压电晶片组合在一起使用。由于压电晶体是有极性的，因而两片压电晶体构成的传感器有两种接法：串联和并联.压电式传感器的应用压电式测力传感器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体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。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。图所示为压电式单向测力传感器的结构图。传感器用于机床动态切削力的测量。绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格