第5章 压电式传感器

1、主要内容，压电传感器工作原理-压电效应压电材料(石英、压电陶瓷)特性压电传感器等效电路和测量电路压电传感器应用，第五章压电传感器，压电传感器为主动双向机电传感器。工作原理：基于压电材料的压电效应。特性：使用频率带宽、高灵敏度、高信噪比、结构简单、工作稳定、质量轻、测量范围大等优点。应用：测量加速度、压力、位移、温度、湿度等。5.1压电传感器工作原理，正压效应(净压电效应):特定电介质在特定方向施加力，变形时在内部产生极化现象，同时在一定表面产生电荷，外力去除后，恢复未充电状态。当力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。逆压电效应(电伸缩效应):当电场在电介质的极化方向应用时，该电介质在一定方向上

2、产生机械变形或机械压力，当电场去除时，这种变形或应力也消失的现象。1 .正压电效应演示力的方向发生变化时，电荷的极性发生变化，显示输出电压的频率等于动态力的频率；当动态力成为静态力时，电荷因表面泄漏而迅速泄漏并消失。在电介质的极化方向上应用交变电压，会发生机械变形。去除外电场，电介质的变形消失。这种现象称为逆压力效应(电伸缩效应)。2.逆压效应，压电材料：具有压电效应的材料修正压电效应弱，性能稳定分类压电陶瓷压电效应强，性能稳定性差的聚合物压电材料新压电传感器大部分利用压电材料的压电效应(在超声波和电声工程中也使用逆压电效应)，5.1.1压电材料，压电材料必须具有以下几个主要特征。转换性能。需

3、要更大的压电常数。机械性能。机械强度高，刚度大。电气特性。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性好，要求居里点更高，工作温度范围更广。时间稳定性。不要让压电性能随时间变化。在数百摄氏度的温度范围内，介电常数和压电系数几乎不随温度变化。但是温度上升到573，水晶会完全失去压电特性，这就是居里点。水晶的突出优点是性能很稳定，具有机械强度和稳定的机械特性。但是石英材料价格昂贵，压电系数远低于压电陶瓷。因此，通常仅用于标准仪器或要求高的传感器。5.1.2受精、受精有两种类型：自然和人工培养。人工培养的受精的物理和化学性质与天然受精几乎没有区别，因此，现在成本较低的人工授精被广泛使用。石英是

4、各向异性晶体，因此在不同方向切割的芯片的物理特性(如弹性、压电效应、温度特性等)有很大差异。设计石英传感器时，应根据使用要求正确选择石英的切割类型。水晶、自然形成的水晶形状、水晶切片和包裹、水晶薄片、双面镀银和包裹、水晶压电效应机制天然结构水晶的理想形状是立方体，在结晶学中，垂直轴ZZ可以表示为三个垂直轴，称为光轴；通过立方体棱镜线与光轴垂直的XX轴称为电轴。与XX轴和ZZ轴同时垂直的YY轴(垂直于立方体的边面)称为机械轴。Z、X、Y、(a)、(b)、修改(a)理想修改的形式(b)坐标系，、，作用力与电荷的关系，如果图中显示的芯片在晶体的y方向被切断，则在全轴的x方向应用应力x时，芯片会产生厚

5、度变形，并产生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，极化强度P11与应力x成正比。一般来说，根据电轴XX方向的力产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，根据机器轴YY方向的力产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，在光轴ZZ方向受到力的话，不会产生压电效应。修正力方向和电荷极性关系，极化强度：d11压电系数。下标的含义是产生电荷的面的轴和作用力所应用的轴的方向。a、c石英晶片的长度和宽度。P11在数值上与晶面的电荷密度相同，结合上述两个表达式，在同一片上机械轴y方向应用应力y的情况下，在垂直于x轴的平面上生成电荷QY，其大小取决于修正轴对称条件(d11=-d12):x方向的压力作用下，qx与力Fx

6、成正比，独立于芯片的几何大小。沿机械轴的y方向对芯片施加压力时产生的电荷与几何尺寸相关；修正在任何方向都没有压电效应。晶体在哪个方向有正压电效应，在这个方向应该有反向压电效应。无论是正压电效应，其作用(或应变)和电荷(或电场强度)之间都有线性关系。结论，5.1.3压电陶瓷、压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，比石英压电灵敏度高得多，但制造成本低，目前国内外生产的大多数压电元件都使用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料是锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)和非铅压电陶瓷(例如BaTiO3等)。压电陶瓷主要有以下几种：1 .钛酸钡压电陶瓷钡(BaTiO3)是一种压电陶瓷，由碳酸钡(BaCO3)和二氧化钛(TiO2

7、)以1: 1分子比在高温下合成。有很高的介电常数和很大的压电系数(大约是水晶的50倍)。但是居里点的缺点是温度低(120)，温度稳定性和机械强度不亚于水晶。2 .锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(Zr，Ti)O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在300以上，各机电参数受温度影响较小，时间稳定性好。此外，将其他微量元素(例如铌、锑、锡、锰、钨等)中的一个或两个添加到锆钛酸中，可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅压电陶瓷是目前压电传感器中应用最广泛的压电材料。压电陶瓷形状、无铅压电陶瓷及其转换器形状、压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料。

8、材料内部的晶粒有许多具有特定极化方向的自发极化电磁场，因此存在电场。没有外部电场的情况下，电磁场在晶体中杂乱分布，各极化效应相互抵消，压电陶瓷内的极化强度为零。因此，原来的压电陶瓷是中性的，没有压电特性。在压电陶瓷压电效应机制中，将外部电场应用于陶瓷时，电磁场极化方向倾向于旋转，外部电场方向排列材料。外部电场越强，越多的电磁场向外部电场方向旋转得越完整。外部电场强度使材料的极化扩大到饱和。也就是说，当所有域极化方向与外部电场方向整齐一致时，在消除外部电场后，域的极化方向基本不变。也就是说，只有在残余极化强度很大的情况下，材料才会具有压电特性。极化后，铁电受外力作用，剩余极化强度发生变化，在一定

9、表面分别产生正负电荷。压电陶瓷在极化方向上最明显，定义为z轴，垂直于z轴的任何直线都可以用作x轴或y轴。，压电陶瓷极化(a)未分化；(b)对于压电陶瓷，极化方向通常与z轴、z轴垂直的平面中的所有线的x轴或y轴作用与晶体不同。压电陶瓷在极化方向受到力时，电荷在垂直于z轴的上下表面出现，电荷q与力Fz成正比。即表达式中：d33压电陶瓷的压电系数；Fz作用力。压电陶瓷在y方向受到作用力Fy或x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上下平面上分别具有正电荷和负电荷，电荷q与作用力Fy，Fx成正比。即形式的Az极化曲面面积；Ax、Ay力曲面面积；D32、d31压电陶瓷的水平压电系数比石英晶体的压电陶瓷系数大

10、得多，因此压电陶瓷制作的压电传感器的灵敏度更高。极化处理的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，其参数也随着时间的变化而变化，压电特性减弱。1 .压电半导体材料压电半导体材料具有灵敏度高、响应时间短等优点，包括ZnO、CdS、ZnO、CdTe等。外侧ZnO是外侧声波振荡器的压电材料，它检测力和温度等参数。5.1.4新的压电材料，2 .聚合物压电材料某些合成聚合物薄膜在扩张拉伸和电场极化后具有一定的压电特性，这种薄膜称为聚合物压电薄膜。目前出现的压电薄膜包括聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚甲基-L谷氨酸地质PMG等。聚合物压电材料是不容易破碎的柔软压电材料，可以批量制

11、造大面积。用聚合物压电材料制成的压电薄膜和电缆、5.2压电传感器的等效电路和测量电路等效电路：如果压电传感器中的压电晶体受到测量的机械应力的作用，则两极在两个极面上是相同的，但功率显示出相同的电荷。压电传感器可以看作是静电发生器，如图(a)所示。如图(b)所示，也可以认为是在阳极板上聚集异性电荷以形成绝缘体的电容器。当两个板聚集异性电荷时，两个板表示特定电压。其大小仅在电量、二次、等效电路、压电元件的等效电路、a是电荷等效电路、b是电压等效电路、外力作用于压电元件的电荷没有泄漏的情况下保留。换句话说，转换电路必须有无限的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电传感器不能用于静态测量。压电传感器可

12、能对应于电压源Ua和电容器Ca上的串行电路，如图(a)所示。也可以是电荷源q和电容器Ca的并行电路，如图(b)所示。在传感器内部信号电荷没有“泄漏损失”，外部电路负载无限的情况下，压电传感器受力产生的电压或电荷必须长期保存，否则电路将以一定的时间常数指数放电。这对静态校正和低频准静态测量很不利，一定会造成错误。实际上，传感器内部不能没有泄漏，外部电路负载也不能无限，只有在外力高的频率下持续作用，传感器的电荷才能得到补充，因此压电晶体不适合静态测量。如果用导线连接压电传感器和测量设备，则必须考虑连接的等效电容、前置放大器的输入电阻、输入电容。压电传感器的整体等效电路，Ca传感器的固有容量Ci前置

13、放大器输入容量Cc连接容量容量Ra传感器的漏电电阻Ri前置放大器输入电阻，如图所示，压电传感器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri平行。为了确保传感器和测试系统具有一定的低频或准静态响应，压电传感器绝缘电阻必须保持在1013以上，这样才能减少内部电荷泄漏，以满足一般测试精度要求。相应的测量电路也必须具有很大的时间常数。也就是说，前导符必须有相当大的输入阻抗。否则，传感器的信号电荷也将通过输入电路泄漏，从而产生测量错误。压电传感器的前置放大器有两个作用。将压电传感器的高功率电阻切换到低阻抗输出。放大压电传感器输出的微弱信号。前导码类型：1 .输出电压与输入电压(传感器的输出电压)成正比的电压

14、放大器；输出电压与输入电荷成比例的电荷放大器。1、电压放大器、5.2.2电压传感器的测量电路、图(b)中的等效电阻r为Fm作用力的幅度、压电元件的作用力、C=Cc Ci、等效电容为压电元件材料为压电陶瓷时，压电元件为d33时，由外力产生的电压值、Um电压振幅、图(也就是说，=R(Ca Cc Ci)，如果0=1/测量电路的时间常数，则可以。/01，即作用力变化频率和测量电路时间常数的乘积大于1时可见。前置放大器的输入电压Uim与频率无关。一般认为是/03，可以认为输入电压与作用频率无关。这表明电压传感器在测量电路时间常数的特定条件下具有相当好的高频响应特性。但是，如果正在测量的动态音量变化缓慢，测量电路时间常数不大，传感器灵敏度就会降低，因此，要扩展工作带的低频端，必须提高测量电路的时间常数。但是，通过增加测量电路的电容，提高时间常数，可以影响传感器的灵敏度。根据传感器电压敏感度Ku的定义，R1的常识可能是近似值。如您所见，Ku与电路电容成反比，增加电路电容必然会使Ku下降。为此，经常使用Ri的大型前置放大器接入电路。输入内阻越大，测量电路时间