第7章-压电式传感器

第六章压电式传感器

本章教学目标了解石英及压电陶瓷材料的压电效应及特点，掌握压电式传感器测量电路的形式、特点；分析电压前置放大器与电荷前置放大器的区别、特点；介绍几种压电传感器的实际应用。

第一节概述一、压电式传感器作用压电式传感器是力敏感元件，将被测力、压力、加速度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量的电测目的。它是一种典型的有源传感器（或称发电型传感器）它是基于某些材料（压电材料）的压电效应。例如：单晶体的石英(SiO2)，多晶体的压电陶瓷类材料BaTiO3等,还有压电半导体材料ZnS等。极化现象：电介质在外电场下会产生电荷的定向移动，造成电极附近的电荷浓度大于电介质内部的现象，叫极化。这种极化是大电流充电过程中必然所造成的。它类似于磁化现象。磁化现象：铁、钢、镍、钴等铁磁材料，没有受外磁场地作用时，其分子电流所产生地合成磁矩在宏观上等于零，因而不呈现磁性。当铁磁材料被引入外磁场时，在外磁场地作用下，内部分子磁矩排列整齐地过程称为磁化。某些铁磁物质一经磁化。即使去除外磁场后，仍有很大地剩余磁感应强度，因此被广泛地应用于仪表与微电机等设备中。二、压电效应压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种情形。1、正压电效应即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外力作用时，其内部产生极化现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号相反的电荷（或产生内部电场）。当力消失后，又重新恢复不带电状态。2、逆压电效应在晶体（电介质）的极化方向上施加外部电场，晶体（电介质）产生伸缩机械形变（或机械应力）。当外电场消失则晶体（电介质）的机械形变（或机械应力）消失。3、3、压电传感器的特点基于压电效应的压电传感器具有许多应用特点。（1）响应频带宽，灵敏度高。（2）结构简单，工作可靠、体积小、质量轻。（3）广泛应用于工程力学，生物医学，电声学许多技术领域。三、压电材料压电传感器中常用的压电材料有压电晶体、压电陶瓷、高分子材料和压电半导体等。1.压电晶体(1)石英晶体：石英晶体即二氧化硅（SiO2），有天然的和人工的两种。它的压电系数d11=2.31×10-12C/N，在几百度温度范围内，压电系数几乎不随温度而变，到575℃时，它完全失去了压电性质，这就是它的居里点。石英有很大的机械强度和稳定的机械性质，可承受高达(6.8～9.8)×107Pa的压力。因而，石英晶体主要用来测量大的力或用于准确度、稳定性要求高的场合和制作标准传感器。石英晶体（2）水溶性压电晶体：最早发现的是酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）。

酒石酸钾钠：无色透明或白色结晶，易于受潮，60℃开始失去部分结晶水，热至100℃时失去3个水分子，215℃时变成无水盐。易溶于水，溶液呈微碱性。机械强度低，电阻率也低，只限于在室温和湿度低的环境下使用。它有很大的压电灵敏度和高的介电常数，压电系数d11=3×10-9C/N。用途：在印刷业上制版、制镜、热水瓶工业作还原剂，电镀工业络合剂，医药上作缓泻剂，电讯工业上用以制晶体喇叭及话筒，化肥工业ADA脱硫剂，在玻璃或其他工业上均有应用。酒石酸钾钠（3）铌酸锂晶体：铌酸锂（LiNbO2）压电晶体和石英相同，也是一种单晶体，为无色或浅黄色。由于它是单晶体，所以时间稳定性较高，在耐高温的传感器上有广泛的应用前景。机械性能方面各向异性很明显，与石英晶体相比很脆弱，而且热冲击性很差，所以在加工装配和使用中必须小心谨慎，避免用力过猛和急冷、急热。2.压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用下，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化效应相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于外电场方向排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。

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。

（1）钛酸钡压电陶瓷

它是最早使用的压电陶瓷材料。它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低，最高只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。（2）锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT系列）目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列），它是钛酸钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的Pb（ZrTi）O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。

（3）铌酸盐系列压电陶瓷

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（Mg·NbO3）、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷，具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。3.高分子压电材料它是近年来发展很快的一种新型材料。典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氯乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。其中以PVF和PVDF的压电常数最高，有的比压电陶瓷还要高十几倍。其输出脉冲电压有的可以直接驱动CMOS集成门电路。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，可制成薄膜或电缆套管等形状。经极化处理后就显现出压电特性。它不易破碎，具有防水性，可大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度。其测量动态范围可达80dB，频率响应范围可从0.1Hz直至109KHz。在一些不要求测量精度的场合，例如水声测量，防盗、振动测量等领域中获得应用。高分子压电材料的工作温度一般低于100℃。温度升高时，灵敏度将降低。它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化.PVDFPVC

4.压电半导体

近年来出现了多种压电半导体,如硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）、氧化锌（ZnO）和硫化镉（CdS）等，这些压电材料的显著特点是既具有压电效应，又具有半导体特性，有利于将元件和线路集成于一体，从而研制出新型的集成压电传感器测试系统。第二节压电效应的分析

石英晶体：SiO2又称石英晶体（单晶体）。天然结构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图6-1（a）所示：

一、石英晶体的压电效应的分析图6-1石英晶体

其中：X轴----电轴，经过六面体棱线Y轴----机械轴，垂直于六面体棱面Z轴---光轴，垂直于晶体截面且与X、Y轴垂直1、压电效应过程分析石英晶体压电片如图6-1（c）所示，在其X轴或Y轴上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生任何压电效应。（1）石英晶体的结构如图所示，硅氧离子结构排列，图6-2中（a）图6-2中硅氧离子的排列示意图

图中“”和“”表示,“”和“”表示。它们形成正六边形排列。（2）当外力时

如图所示，三个大小相等，夹角成120的正负电荷之间的电偶极距，（q----电荷量，l----正负电荷之间距离）。，合电偶极距为零，不呈现极性。

（3）在X轴方向施加压力Fx<0(纵向压电效应)如图所示，正负电荷离子的相对位置发生变化。图6-4

石英晶体的压电示意图在X轴正方向产生正电荷，负方向产生负电荷。

（4）在X轴方向施加拉力Fx>0(纵向压电效应),在X轴正方向产生负电荷，负方向图6-5石英晶体的压电示意图产生正电荷。

1.当受拉力时，Fy>0,则其效果与图6-4Fx<0情况相同。2.当受压力时，Fy<0,则其效果与图6-5Fx>0情况相同。(5)在Y轴方向施加力Fy(横向压电效应)(6)在Z轴上施加力Fx(无压电效应)由于正负离子的位置保持不变，，所以不产生任何方向上的压电效应。2、电荷的大小分析(1)在X轴方向施加拉力Fx时

①X轴表面产生的电荷。

(垂直于X轴平面上的电荷量)其中：---压电系数（2.310-12C/N）

分析：作用力使晶体产生一定的变形，并发生极化现象产生一定的极化强度。其极化强度：与应力大小有关则(ac,X轴方向截面积)而极化强度Pxx在数值上等于晶体表面上的电荷密度。即成立。所以②相应的逆压电效应根据逆压电效应，在X轴的方向上施加外电压Ux作用下，则产生形变b,(式中b是压电晶片厚度)相应的应变(x方向电场强度)（2）同理，在Y轴方向施加拉力Fy时①在X轴表面上产生电荷。(Y方向压电系数)分析：因为而电荷密度与极化强度在数值上相等，所以则，

成立。②相应的逆压电效应产生的形变a（Y方向）在X轴方向上施加外电场Ux作用,则其相对应变

1、无论正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系。

2、石英晶体在有压电效应的方向上，一定有逆压电效应。

3、石英晶体不是在任何方向上都产生压电效应。

结论:二、压电陶瓷材料的压电效应分析

压电陶瓷是属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶体材料。具有类似铁磁体材料的磁畴结构的电畴结构---即电畴特性。1、电畴特性和极化处理

（1）电畴特性：指材料分子自发形成的分子团，如图4-6(a)所示。压电陶瓷分子由无数的细微电畴组成，这些电畴实际上是自发极化的小区域，它们的自发极化方向完全是任意排列的。每个电畴具有一定的极化方向，从而存在一定的电场，但分子团的杂乱无规则排列，在无外电场的作用下，呈现中性。

（2）极化处理在电场作用下，使电畴分子团有规则的排列（趋于外电场方向）从而使材料得到极化（如图6-6（b）所示）。外电场去除后，其内部残存剩余极化强度（如图（c）所示）。（3）压电陶瓷需经过极化处理后才具有一定的压电效应。图6-6压电陶瓷中的电畴变化示意图

2.压电效应分析极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外力时将会产生压电效应，但其过程不同于石英晶体的压电过程。

（1）在未受外力作用下，整个压电片如图6-7所示。图6-7陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图不呈现极性而呈现中性。

这是因为残余极化强度产生正负束缚电荷，并且吸附了外界的自由电荷起到屏蔽和抵消片内极化强度对外界的作用。（2）在外加与极化方向相反且平行的压力F作用下

图6-8受外力作用时陶瓷片的压电效应示意图（实线表示未受力时，虚线表示受力变形状态）如上图所示，压电片产生压缩变形，使得正负束缚电荷距离变化，其极化强度相应变小，导致吸附表面的自由电荷一部分释放形成放电现象。当外力消失后，又恢复原状，吸附外界自由电荷类似充电现象，因而产生了一个充放电的压电效应。（机械能电能）（3）逆压电效应

如图6-9所示，在极化方向上施加一个相同方向的外电场E时，则产生增大极化强度的作用，使得正负束缚电荷距离增加，即产生极化方向上的伸长形变，同理，外电场方向改变时，将产生一个压缩形变（电能机械能）。

图6-9逆压电效应示意图

（实线代表变形前的情况，虚线代表变形后的情况）第三节测量电路一、等效电路1、压电传感器等效原理

压电晶体在外力作用下，其电极表面产生正负极性的电荷，因此可以看成一个静电发生器，其类似一个以压电材料为电介质的电容Ca如图所示。

图6-10压电传感器的等效原理

当极板间有异性电荷时（q），极板之间的电压Ua，2、等效电路图（1）压电传感器的等效电路可以等效为如下两种形式图6-11压电传感器的等效电路

a）电压源b）电荷源（a）等效电压源Ua(b)等效电荷源q2、等效电路图(2)压电传感器不适合于静态测量由以上等效电路可知，只有当压电传感器内无漏损或外接负载RL时，其受力后产生的电荷才能保持，否则将会放电。这对于静态和低频是极不利的。只有外力不断高频作用下，才能得以补充，因此，压电传感器不适于静态测量。3、实际使用时，压电传感器完整等效电路

（1）完整的电压源等效电路

图6-12电压源等效电路图（2）完整的电荷源等效电路图6-13电荷源等效电路图图中：Ca---压电传感器电容；Ra---传感器的漏阻

Cc---电缆导线对地电容；Ri----前置放大器的输入电阻

Ci----放大器的输入电容

二、测量电路1.压电传感器的前置放大器的作用由于传感器内阻很大，而输出信号很小，一般不能直接取用，故需加装前置放大器，其作用有：（1）把传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗；（2）放大传感器输出的微弱信号。2.前置放大器的形式

根据压电传感器等效电路可知，传感器可以是电压形式输出也可以是电荷形式输出，所以相应有两种形式的放大器。（1）电压放大器（2）电荷放大器3.电压放大器分析

(1)原理图

图6-14连接放大器的等效电路图（a）

图6-15连接放大器的等效电路图(b)如图所示，其中等效电阻R等效电容C当外力作用下，(Fm为幅值)根据压电效应(d---压电常数)(2)放大器输入电压Ui的分析当时，上式简化为其幅值3、结论（1）放大器的输入Uim幅值与作用力F的频率无关，因此具有较高的频响特性。（2）改变传感器的电缆引线长度时，其电缆电容Cc的变化将引起放大器输入信号Uim的变化，因此测量中电缆的长度需要固定（Cc为常数），否则引起误差。（3）电压灵敏度ku

即灵敏度与电路电容大小成反比关系。所以一般要求放大器的内阻Ri增大（电容C降低），则满足条件。4.电荷放大器分析

（1）原理图图6-16压电传感器电荷放大器的原理图如图所示，具有深度负反馈的高增益放大器（2）放大器USC输出分析忽略、、的分流作用则放大器输入电荷

其中---放大器的输入电荷---放大器放大倍数---放大器的反馈电荷-----反馈电容-----传感器的电荷-----反馈电阻因为由，所以化简上式，得当（1+A0）Cf>>C时，A0>>1可见，电荷放大器的输出电压U0正比于输入电荷Q,输出与输入反相。

结论：1.放大器的输出电压Usc正比于信号Q，线性转换2.灵敏度,大小取决于

3.与电压放大器不同，电缆电容Cc与放大器输入电容Ci不会对输出电压Usc产生影响，故电缆长度变化不会带来测量误差。

三、压电传感器的连接方式1.压电片的并联形式

如图所示，并联形式片上负极集中在中间极上，其电容C输出为单片的两倍，输出电压等于单片电压U,电荷量为单片的两倍。即2.压电片的串联形式如图所示，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下集板，在中间极板，上片产生的负电荷与下片产生的负电荷相互抵消。输出的电荷等于单片电荷，输出电压为单片电压的两倍，总电容为单片电容的一半。第四节压电传感器的应用1.压电式单向动态力传感器结构图见图6-19，它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其纵向压电效应，实现力—电转换。传感器由两片压电晶片并联组成，中间是电极，灵敏度高。产生的电荷Q与动态力F成正比，测出Q变化就可知F的大小。

图6-19压力单向测力传感器结构图1.绝缘套2.石英晶片3.上盖4.基座5.电极

2、压电式加速度传感器在振动测量中的应用

1）测振的基本知识振动的广义定义是指任何一种物理量相对于参考点作周期变化的现象。机械设备、仪器都是一个弹性系统，在一定的条件下，它们都可能在其平衡位置附近作往复运动（振动）。测量振动主要是要测出各部件周期运动的瞬时幅度、速度、加速度及振动频率和能量分布等参数。测量振动目的主要是：防止系统发生共振；避免系统自振；平衡某个系统中的不平衡力；提高机器结构的抗振能力和抗振疲劳极限；减振与隔振；控制和消除噪声等。测振用的传感器叫拾振器。接触式：磁电式、电感式、压电式。非接触式：电涡流式、电容式、霍尔式、光电式。如图示测振系统力学模型。该系统固定在被测振动体上。设测振系统自身固有振动频率f0，被测物体的振动频率f。当f0≤5f

时，质量块相对于壳体的振幅z将与振动体的振幅x成正比，这样的传感器称振幅计。当f0=f

时，且阻尼C很大，质量块的振幅z将与振动体的振动速度v成正比，这种传感器叫速度计。当f0≥5f

时，质量块几乎与振动体一起振动，z=0，这种传感器叫加速度计。测振系统模型图3.压电式加速度传感器结构图见6-20图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成，整个部件装在外壳内，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，压电元件受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，即惯性力F作用于压电元件上而产生电荷q，当传感器选定后，m为常数，则传感器输出的电荷为传感器输出电荷q与加速度a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。

图6-20压电式加速度传感器结构图1.螺栓2.压电元件3.预压弹簧4.外壳5.质量6.基座4、压电式加速度的性能指标：1）灵敏度K压电式加速度传感器是自发电型传感器，它的输出为电荷量，单位为pC(皮库）。而输入量是加速度，单位为m/s2,所以其灵敏度单位为pC/（m/s2）。通常加速度用重力加速度g。则灵敏度单位为pC/g。实际压电加速度传感器的输出是电压，所以灵敏度单位为mV/g.压电加速度传感器的灵敏度不是越高越好。灵敏度低的可用于动态范围很宽的振动测量，如打桩的冲击振动、汽车的碰撞试验、炸弹的贯穿延时引爆等。高灵敏度的压电传感器可用于测量微弱的振动。如用于寻找地下管道的泄漏点（水管漏水