压电式传感器介绍和学习

关于压电式传感器介绍和学习

压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。第2页,共33页，2024年2月25日，星期天第一节压电效应

某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。

第3页,共33页，2024年2月25日，星期天第二节压电材料一、石英晶体

石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图5－2是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。

a)b)c)图5－2石英晶体的外形、坐标轴及切片第4页,共33页，2024年2月25日，星期天

从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。第5页,共33页，2024年2月25日，星期天纵向压电效应产生的电荷为

qxx＝dxxFx(5-1)

式中，qxx为垂直于X轴平面上的电荷，dxx为压电系数，下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；Fx为沿晶轴X方向施加的压力。由上式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx

与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。如果作用力Fx改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。第6页,共33页，2024年2月25日，星期天

横向压电效应产生的电荷为

(5-2)

式中，qXY为了轴向施加压力，在垂直于X轴平面上的电荷dXY为压电系数，Y轴向施加压力，在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数；FY为沿晶轴Y方向施加的压力。

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根据石英晶体的对称条件dXX=-dXY，所以

由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。第8页,共33页，2024年2月25日，星期天石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。

a)b)c)d)晶片受力方向与电荷极性的关系

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a)b)c)图5－3石英晶体的压电效应

石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷可以解释如下：石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如图5－3a所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象。第10页,共33页，2024年2月25日，星期天

如果在X轴方向施加压力，如图5－3b所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在B表面上出现负电荷。如果所受的力为拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。如果沿y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性如图5－3c所示。施加拉力时，电荷的极性与它相反。若沿Z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有电荷出现，因而不产生压电效应。a)b)c)

图5－3石英晶体的压电效应第11页,共33页，2024年2月25日，星期天

二、压电陶瓷

压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，见图5－4所示。a)极化前b)极化c)极化后图5－4压电陶瓷的极化过程

第12页,共33页，2024年2月25日，星期天a)b)压电陶瓷的压电原理

压电陶瓷在受到如上图（b）所示的作用力F时，在垂直于Z轴的上下平面上分别出现正、负电荷，即

式中，AX为极化面面积；AY为受力面面积。第13页,共33页，2024年2月25日，星期天三、压电材料及压电元件的结构1、压电材料选取合适的压电材料是压电式传感器的关键，一般应考虑以下主要特性进行选择：1)具有较大的压电常数。2)压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3)具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响，4)具有较高的居里点。所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转变点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。5)压电材料的压电特性币随时间蜕变，有较好的时间稳定性。（1）石英晶体

石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电、系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。第14页,共33页，2024年2月25日，星期天（2）水溶性压电晶体这类压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H20)、硫酸锂(Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低，只适用于室温和湿度低的环境下。（3）铌酸锂晶体铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250℃，居里点为1210℃。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的前途。（4）压电陶瓷这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和介电常数。但它的居里点较低，为120℃，此外机械强度不如石英。2)锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)锆钛酸铅是PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(Zr·Ti)O2。它具有较高的压电系数和居里点(300℃以上)。3)铌酸盐系压电陶瓷姐铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435C，常用于水声传感器中。第15页,共33页，2024年2月25日，星期天

4)铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)

这是一种由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3组成的三元系陶瓷。它具有较高的压

电系数和居里点，能够在较高的压力下工作，适合作为高温下的力传感器。（5）压电半导体

有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、GaAs等。：因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微屯子技术制成电子器件。两者结合起来，就出现了集转换元件和电子线路为一体的新型传感器，它的前途是非常远大的。（6）高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。如果将压电陶瓷粉末加入高分子化合物中，可以制成高分子—压电陶瓷薄膜，它既保持了高分子压电薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数，是一种很有希望的压电材料。2、压电元件的常用结构型式在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如下图所示。图a为并联接法，其输出电容C＇为单片的n倍，即C＇=nC，输出电压U＇=U，极板上的电荷量Q＇为单片电荷量的n倍，即Q＇=nQ。图中b为串联接法，这时有Q＇＝Q，U＇=nU，C＇=C/n。

第16页,共33页，2024年2月25日，星期天a)b)图：

压电元件的串并联在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。

第17页,共33页，2024年2月25日，星期天第三节压电式传感器测量电路一、压电式传感器的等效电路

压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为

(5-4)式中：ε0为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数；d为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。第18页,共33页，2024年2月25日，星期天因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如图5－5a所示，也可以等效为—个电压源，如图5－5b所示。a)电荷源

b)电压源图5－5压电传感器的等效电路

压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。图5－6画出了压电传感器完整的等效电路。

图5－6压电传感器实际的等效电路

第19页,共33页，2024年2月25日，星期天2008-9-26第20页,共33页，2024年2月25日，星期天二、压电式传感器的测量电路

压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个用处：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。

第21页,共33页，2024年2月25日，星期天（一）电压放大器（阻抗变换器）

a)b)图5－7压电传感器接电压放大器的等效电路压电传感器接电压放大器的等效电路如图5－7a所示。图b是简化后的等效电路，其中，ui为放大器输入电压；C=CC+Ci；；ua=Q/Ca。第22页,共33页，2024年2月25日，星期天

a)b)图5－7压电传感器接电压放大器的等效电路如果压电传感器受力为F=Fmsinωt则在压电元件上产生的电压为

(5－6)

式中Um－压电元件输出电压幅值Um＝d×Fm/Cad－压电系数。第23页,共33页，2024年2月25日，星期天

a)b)图5－7压电传感器接电压放大器的等效电路而在放大器输入端形成的电压为

(5－7)第24页,共33页，2024年2月25日，星期天

Ui的幅值Uim为(5－8)当>>1时，放大器的输入电压为由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，当改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变，从而引起放大器的输出电压也发生变化。在设计时，通常把电缆长度定为一常数，使用时如要改变电缆长度，则必须重新校正电压灵敏度值。第25页,共33页，2024年2月25日，星期天电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。图5－8是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中Cf,为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。（二）电荷放大器图5－8电荷放大器等效电路第26页,共33页，2024年2月25日，星期天如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为Qi=Q-Qf

，而式中，A为开环放大系数。所以有故放大器的输出电压为

当A>>1，而(1+A)Cf>>时，放大器输出电压可以表示为（5-13）（5-12）第27页,共33页，2024年2月25日，星期天

由式中可以看出，由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度为

(5－13)

放大器的输出灵敏度取决于Cf。在实际电路中，是采用切换运算放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的。Cf越小则放大器的灵敏度越高。为了放大器的工作稳定，减小零漂，在反馈电容Cf两端并联了一反馈电阻，形成直流负反馈，用以稳定放大器的直流工作点。第28页,共33页，2024年2月25日，星期天

6.4压电式传感器的应用

压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。

一、压电式测力传感器