压电式传感器原理与应用

1、压电式传感器原理与应用在寒假里学院给我们留了一些论文题目，希望可以开拓我们的视野。我对电磁方面比较感兴趣，于是就选了宋老师的压电式传感器原理与应用。并在网上深入的了解了一下，结合以前所学，完成了这篇报告，写的十分粗浅，只是一些关于压电式传播器的原理和应用前景，望老师指正。引言 ： 压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里兄弟在研究热电性与晶体对称的关系时，发现压力可产生电效应，即在某些晶体的特定方向加压力时，相应的表面上出现正负的电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些晶体中就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠（罗息盐）。1881年Lippman应用热力学原理预言了逆

2、压电效应（converse piezoelectric effect），即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居里兄弟用实验所证实了。接着Hankl引入了piezoelectricity（压电性）这个名词。Voigt应用对称性原理建立了压电性的唯象理论。他将弹性顺度张量和极化矢量的分量与晶体的对称操作联系起来，得知在32个晶体点群中作为三阶张量的压电常量有哪些张量元不为零，并指出它们之间有什么关系。在微观理论方面，玻恩和他合作者在晶格动力学的框架内研究了压电效应，并且计算了一些晶体（如闪锌矿）的压电常量。1 压电材料的实用化是进一步研究压电效应的推动力。实用化方面早期有两个奠定性的工作

3、。第一，1916年郎之万发明了用石英晶体制作的水声发射器和接收器，并用于探测水下的物体。第二，1918年Cady通过对罗息盐晶体在机械谐振频率附近的特异的电性能研究发明了谐振器。前者是最早的压电换能器，后者则为压电材料材料在在通信技术和频率控制等方面的应用奠定基础21压电原理1.1线性状态方程和线性响应系数处理电介质平衡性质的基本理论是线性理论。该理论成立条件是系统状态相对其初始态的偏离较小，在特征函数对独立变量的展开式中可忽略二次以上的高次项，而在热力学量对独立变量的展开式中可以只取线性项。 考虑以温度T，应力X和电场E为独立变量的情况，于是相应的特征函数为吉布斯自由能G。假设温度、应力和电

4、场分别发生了小的变化dT，dX和dE，而且初始态的应力和电场为零，故dX=X，和dE=E。当这些变化足够小时，可用泰勒级数展开G，只取到二次项 （1.1）因为 （1.2）所以 （1.3）将dS，x和D看成是dT，X和E的函数，在零应力和零电场附近作泰勒展开，取近似只保留一次项 （1.4）（1.5） （1.6）利用式（1.3）此三式成为 （1.7） （1.8） （1.9）引入 （1.10） （1.11） （1.12） （1.13） （1.14） （1.15）于是式（707）（7.9）成为 （1.16） （1.17） （1.18）这就是弹性电介质的线性状态方程。方程中的系数叫线形响应系数，它们是电

5、介质的物性参量。上标标明响应过程中保持不变的量。由式（1.10）（1.15）可知，这些线形响应系数就是特征函数展开式中二次方项的系数。这表明，在特征函数展开式中取到二次方项等效于在线形范围内描写电介质，二次方项的系数就是相应的物质参量。上面共出现了6个物性参量，它们反映了弹性电介质中六种线性效应，分析如下。 应力X和应变x之间的弹性效应用弹性顺度s描写。电位移D和电场E之间的介电效应用电容描写。应力X（或应变x）与电位移D（或电场E）之间的压效应用压电常量d描写。温度T（或熵S）与应变x（或应力X）之间的热膨胀效应用热膨胀系数描写。温度T（或熵S）与电位移D（或电场E）之间的热电效应用热电系数

6、）或电热系数（）描写。温度T与熵S改变量的关系用比热c描写。 在式（1.10）（1.12）中，利用特征函数G的二次偏微商与微商次序无关的原理，得到如下关系式： （1.19） （1.20） （1.21）他们物理意义是：正效应与逆效应相等。例如上面第一式表示压电常量，第二式表示热电系数等于电热系数。由其他特征函数出发，也可得到一些类似的关系式，他们统称麦克斯韦关系式。31.2压电方程和常量压电体在工作过程中不可避免的发热，难以保持等温条件。但热交换通常可以忽略，既满足绝热条件，因此要研究绝热条件下的压电体的性质。先讨论以应力和电场为独立变量的情况。因为 （1.22）所以相应的特征函数是焓H。利用与

7、上相似的方法见式（1.4）-（1.8）得到线性状态方程如下： （1.23） （1.24） （1.25）在应用绝热条件下，得出 （1.26） （1.27）式中已省去了代表绝热的上标S。以应变为x和电场E为独立变量时，相应的方程为 （1.28） （1.29）以应变和电位移为独立变量时，相应的方程为 （1.30） （1.31）以应力和电位移为独立变量时，相应的方程为 （1.32） （1.33）上面四组方程中引入了4个压电常量，它们的定义及其在SI单位制中的单位如下： （1.34）单位为C/N或m/V。 （1.35）单位为N/C或V/m （1.36）单位为Vm/N或 （1.37）单位为 压电常量是反映

8、力学量（应力或应变）与电学量（电位移或电场）间相互偶合的线性响应系数。独立变量不同时，相应的压电常量也不相同。实用中，由可计算单位电场引起的应变，由可计算一定长度的压电元件中单位应力引起的电压，所以前者称为压电应变常量，后者称为压电电压常量。给出单位电场引起应力，表示造成单位应变所需的电场，所以分别称为压电应力常量和压电刚度常量。4在我们了解压电式传感器时，需要明白一个问题，什么是传感器？从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置；简单说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。所以它由敏感元器件（感知元件）和转换器件两部分组成，有的半导体敏感元器件可以直接输

9、出电信号，本身就构成传感器。敏感元器件品种繁多，就其感知外界信息的原理来讲，可分为物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。化学类，基于化学反应的原理。生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。而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。压电效应是压电传感器的

10、主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 2、压电式传感器一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。即： 在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度)与外应力张量T成正比;当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现

11、象称为正压电效应，或简称压电效应。 压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和钛酸钡等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。 压电传感器中主要使用的压电材料包括有石英、酒石酸钾钠和磷酸二氢胺。其中石英（二氧化硅）是一种天然晶体，压电效应就是在这种晶体中发现的，在一定的温度范围之内，压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失（这个高温就是所谓的“居里点”）。由于随着应力的变化电场变化微小（也就说压电系数比较低），所以石英逐渐被其他的压电晶体所替代。而酒石酸钾钠具有很大的压电灵敏度和压电

12、系数，但是它只能在室温和湿度比较低的环境下才能够应用。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。 现在压电效应也应用在多晶体上，比如现在的压电陶瓷，包括钛酸钡压电陶瓷、PZT、铌酸盐系压电陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷等等。 3 压电式传感器的应用与前景 机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞；其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。 超声波是人耳听见的一种机械波，频率在20KHZ以上。人耳能听到的声音，

13、振动频率范围只是20HZ20000HZ。超声波因其波长较短、绕射小，而能成为声波射线并定向传播，机器人采用超声传感器的目的是用来探测周围物体的存在与测量物体的距离。一般用来探测周围环境中较大的物体，不能测量距离小于30mm的物体。 超声传感器包括超声发射器、超声接受器、定时电路和控制电路四个主要部分。它的工作原理大致是这样的：首先由超声发射器向被测物体方向发射脉冲式的超声波。发射器发出一连串超声波后即自行关闭，停止发射。同时超声接受器开始检测回声信号，定时电路也开始计时。当超声波遇到物体后，就被反射回来。等到超声接受器收到回声信号后，定时电路停止计时。此时定时电路所记录的时间，是从发射超声波开始到收到回声波信号的传播时间。利用传播时间值，可以换算出被测物体到超声传感器之间的距离。这个换算的公式很简单，即声波传播时间的一半与声波在介质中传播速度的乘积。超声传感器整个工作过程都是在控制电路控制下顺序进行的。 压电材料除了以上用途