第6章压电传感器

1、1 第第 6 6 章章 压电式传感器压电式传感器26. 1 压电效应与压电材料压电效应与压电材料 压电效应分为顺压电效应和逆压电效应 顺压电效应某些电介质物质，在一定方向上受外力 作用变形时，内部产生极化现象，同时表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。 逆压电效应在电介质极化方向上施加电场，会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。 3 6.1.1 压电材料压电材料 （1）石英晶体：）石英晶体： 优点：性能稳定、机械强度高、绝缘性好。温度升高 1，压电系数仅减少0.0

2、16%。居里点：573。图6.2 缺点：价格昂贵，压电系数比压电陶瓷低很多。 d11=2.31。陶瓷：d33=190居里点指铁磁性物质达到该温度时，其铁磁性全部消失 而变为顺磁性。失去压电特性。铁磁性原子磁矩形成有序排列。顺磁性原子或分子中含有没有完全抵消的电子磁矩，因 而具有原子或分子磁矩。但磁矩间无强的相互 作用。弱磁性。 石英晶体的切型表示法： 图 6.44 （2）压电陶瓷：）压电陶瓷： 具有很高的压电系数具有很高的压电系数 1) 钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3） 2) 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 3) 聚二氟乙烯（PVF2）高效分子聚合物薄膜，在 膜厚方向加直流高压、电场极化后，具有压

3、电性能。 表62 常用压电材料的主要性能5 6. 1. 2 压电效应压电效应 （1）石英晶体的压电效应）石英晶体的压电效应 3个晶轴：光轴、电轴、机械轴 Z 轴光轴，没有压电效应 X 轴电轴，经过晶体棱线， 垂直于Z轴，作用力FX，压电 效应最明显。 Y 轴机械轴，垂直于X-Z平面， 作用力 FX、FY，在Y轴方向 不产生压电效应，只产生形变。6 内部结构： 一个晶体单元，3个硅离子Si4+，6个氧离子O2（成对的）。一个硅离子，二个氧离子，交替排列。 电偶极距： 方向：负电荷正电荷pq l 7 （a）未受力时，石英晶体表面不产生电荷，呈电中性 （b）x方向加FX 时： 在X 方向产生压电效应

4、，“纵向压电效应”，令 而Y、Z方向的电偶极距仍为零。 压电常数： ， ， 。1230ppp1p 2p3p123()0 xppp123pppp0yp 123()0yppp123()0zppp0zp 110d210d310d8 （c）当在Y方向施加Fy时， 合矢量方向 与x轴正向相反。 ， 在x 轴正方向的晶面上产生负电荷。 即产生 “横向压电效应”。 压电常数： ， （d）在Z方向，施加Fz时，X、Y方向变形， ，正 负电荷中心始终重合。 ，不产生压电效应： （e）各个方向同时受均等作用力（如液体压力），保 持电中性，石英晶体没有体积压电效应。 123()0 xppp0yp 0zp 11120

5、dd22320ddxydd0 xypp1323330ddd石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输出电压的当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输出电压的频率与动态力的频率相同；频率与动态力的频率相同； 当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏消失。漏消失。石英晶体压电效应11（2）石英晶体压电常数和表面电荷的计算）石英晶体压电常数和表面电荷的计算 1）X方向（电轴）受到应力T1，产生纵向压电效应； 电荷密度： 因为： 所以：11111111FdTdS1111qdFqs12 2）Y方向（机械

6、轴）受到应力T2，产生横向压电效应 根据晶体对称条件： 可知，产生的电荷与晶片尺寸有关。12121qs12122dT1121222SqdFS1121122Sqd FS 1211dd 13 3）Z方向（光轴）受到应力T3 ， （4）受到剪切应力T4、T5、T6时 ， （d15=0） （d16=0）结论：只有X、Y方向的单向应力T1、T2和X面上的剪切应 力T4，才能在垂直X轴的晶面上产生电荷。131330dT30T 130d130q14144dT151550dT161660dT1*11111 2144dTd Td T14 同理，在垂直于Y轴晶面上，只有剪切应力T5、T6起作用。 （ ， ） 在垂

7、直于Z轴晶面上 ， 石英晶体的压电常数只有d11、d14是独立的。 （i=1,2,3 j=1,26） （7-14） 压电常数dij的两个下标。 i电效应方向（在i面上产生电荷）； j机械效应方向（沿j方向受力）。 2*25526614511 62dTd Td Td T 2514dd 26112dd *306*1iijjjdT1*11111142*21411*3600000002000000TdddTddT15 dij物理意义：在“短路条件”下，单位应力所产生的 电荷密度。 石英晶体通过dij有4种基本变形方式，将机械能电能 1）厚度变形 dxd11纵向压电效应（X方向受力） 2）长度变形 dy

8、d12横向压电效应（Y方向受力） 3）面剪切变形 4）厚度剪切变形16 （3）压电陶瓷的压电效应）压电陶瓷的压电效应 原始的压电陶瓷，电畴无序排列，极化效应相互抵 消，不具备压电性质。 极化处理：施加强电场（2039kv/cm直流电 场），23h，具备压电性质。 Z轴极化方向。压电晶体与压电陶瓷的比较：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。 Fd

9、q3318（4）压电陶瓷压电常数和表面电荷的计算压电陶瓷压电常数和表面电荷的计算 dij中，不为零的5个，独立的3个，d33、d31、d15，下标意义同石英晶体，只是通常极化方向定为Z轴。 压电常数矩阵为： 式中 极化方向Z轴，当作用力沿极化方向时，在极化面上产生电荷。15243132330000000000000ddddd3231dd1524dd 33qd19 由压电系数矩阵，可知压电陶瓷的4种基本变形方式：（1）厚度变形：F3dzd33Z 面上产生电荷（2）长度、宽度变形： F1dxd31Z 面上产生电荷 F2dyd32Z 面上产生电荷（3）剪切变形： F4X面（即YZ面）剪切d24Y面上

10、产生电荷 F5Y面（即XZ面）剪切d15X面上产生电荷（4）体积变形： 三向应力（T1、T2、T3）d31、d32、d33Z面上产生电荷（测量流体静压力）331 132233 3d Td Td T202122 6.2 压电传感器的工作原理压电传感器的工作原理 6.2.1 压电传感器的特点压电传感器的特点 1、性能与力的作用方向和方式有关， 与机电耦合系数有关。 2、同时存在正、逆两种压电效应，相互影响。 3、电荷量与被测力相对应，能量损失意味着信息损失，对测量线路有特殊要求。236.2.2 6.2.2 机电耦合条件下的等效参数机电耦合条件下的等效参数 正压电效应产生的电荷正比于应变。 逆压电效

11、应产生的应变正比于电场强度。 1、电边界为短路状态 短路条件指压电元件表面电荷一产生就被引开，不引起极板上电荷累积，极板间也不产生电场。 因此，晶体形变上不存在二次效应。 如图在T 1作用下24 应变： ，c11陶瓷柔度系数束缚电荷 ，可得到 （6-17） 系数 可看作单位应变引起的电荷密度变化，只和机械性能c11和压电性能d31有关，不随边界条件变化。信号变换流程图：1111ScT3311dT313111dSc3111dc25 2、电边界为开路状态 极板开路时，有累积电荷， 引起逆压电效应。 所产生的变形为： g13逆效应系数。 外力T1引起的应变： 总的变形： 由 代入上式1133Sg11

12、1 1Sc T11111 1133SSSc Tg311131131131dcSScd26 解出： def 等效压电系数，或由等效柔顺系数cef 表示。11 13111331c Tcgd3131313113131111311(1)1efddTdgTdTdcgc27 6.2.3 压电元件的等效电路压电元件的等效电路 1、电荷等效电路 信号变换：压电元件相当于电荷发生器 结构变换：压电元件是一个电容器。 看作电荷源与电容并联的电路。 两个假设条件：（1）外力变化极其缓慢， q与F 变化一致；（2）输入阻抗无限大。 理想条件等效电路如图所示。/caUq c28 2、电压等效电路： 也可等效为一个电压源

13、U和一个电容器Ct串联的等效电路。电荷源和电压源实际等效电路如图所示。两种电路只是表示方式不同，其工作原理是相同的。29 6.2.4 压电元件的串、并联压电元件的串、并联 1、串联：（中间层，正负荷抵消） 适用于测量电路采用高阻抗电压放大。 2、并联： 适宜于低阻抗电荷输出方式：电荷灵敏度增大一倍。/2ccqq 2/2qUqcUc2cc 2qq /UqcU30 6.3 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路 压电传感器输出信号： 信号非常微弱； 内阻抗极高。 对测量电路的要求： 信号放大； 把高阻抗输入变为低阻抗输出。31 6.3.1 电压放大器电压放大器 压电传感器相当一个电容器，两端电容

14、按指数规律变化，时间常数越大，放电越慢。 尽可能保持压电传感器输出电压不变，要求时间常数尽可能大。32 等效电阻： 等效电容： 考虑压电元件材料为压电陶瓷，其压电系数为d33， 所加力为： 则，压电元件上产生的电压为： Z并=R | Zc|ciciciRRRRRRRciCCCsinmFFt33sinmaaadFtqUCC1|1cacaRZZR Zj Cj RC总33 前置放大器输入电压： （6-22） 前置放大器输入电压幅值： （6-23） 输入电压与作用力之间的相位差 令测量回路的时间常数 (|)11()aaaasrcaaUR Uj CR UUZRj RCZj R CCRj C总33sin1

15、()maj RdFtj R CC33221 () ()msr macid FRURCCC1()2acitgCCCR()aciR CCC34 理想情况，当传感器Ra 和放大器输入Ri 都，即等效电阻R时，电荷没有泄漏。（相当于传感器开路电压） （6-25） 传感器电压灵敏度： 更换电缆，Cc 变化，使灵敏度K 变化。 由于电缆电容Cc ，以及放大器输入电容Ci 存在，使灵敏度减小。33mamacidFUCCC33srmmaciUdKFCCC1R35 相对幅频特性：（实际输入电压与理想输入电压的比值） 1222()( )1() ()1()srmaciamaciUR CCCKURCCC1( )1/2

16、K12()lacifR CCC2()111 ()211222()lacifR CCC36 如图:（1）当 ， ，即Fm为静态力 放大器输入阻抗不可能无穷大，传感器也不可能绝对 绝缘，电荷会通过Ra、Ri漏掉。 从原理决定了压电传感器不能测量静态物理量。00srmU37（2）当 ，由图6-22知，放大器输入电压与作用力的频率无关。（3）放大器输入电阻Ri越大，测量回路时间常数越大，传感器低频响应越好。 电压放大器共同特点： 高输入阻抗（100M以上）， 低输出阻抗（质量-弹簧-阻尼 二阶单自由度系统。 压电晶体片等效为弹簧刚度k。 E压电片纵向弹性系数 S面积, t压电片厚度 刚度： , ，加速

17、度产生的振幅被测加速度a，使传感器质量块m位移的振幅A为：式中： ，固有频率 ， ，c阻尼系数/kdF dx20dFmaadxkk2222011(1)(2)Aa0/k m0/ /2cmk/2kE St47 压电元件所受的力： 位移x=振幅A使单个晶片表面产生的电荷：代入A和 ，得： （6-34）则：压电加速度传感器的电荷灵敏度： （6-35）电压灵敏度：Fkxk A1ijmijQdFdk A 20km1222(1)(2)ijdm aQ222(1)(2)ijqn dmnQKa22211/(1)(2)ijmuqacindmUn QKKCaCanccc48 , 当传感器工作在 的频段， 即 ，传感器

18、的中频灵敏度 Kq与m、dij、n成正比。 当：m、Kq，但 ，使工作频带变窄， 同时m大影响试件振动。 要使Kq，应使n、dij，即适当增加压电片数，采用压电系数高的材料。 qijKn dm/()uijaciKn dmnccc0/k m10 0493、频率特性 高频特性取决于 及 ，通常 =0.010.04。由（6-37）式则高频灵敏度为：令中频灵敏度 则： ，当 时， 。传感器灵敏度近似为常数，即中频灵敏度。传感器上限频率： ，当 ，产生共振。传感器低频特性取决于表面电荷泄漏情况，即时间常数 当时间常数RC越大，可测的低频下限越低，增大的有效办法是加大前置放大器的输入电阻。02(2)02/

19、 |1|qHijKn dmqBijKnd m011()35H0HRC11/()laciR nccc0qHqBKK0 2|1|qBqHKK50 6.4.3 压电阻抗头压电阻抗头 结构：压电式力和加速度传感器的组合。 用于测量机械阻抗。 mFZV52 6. 5 压电式传感器的医学应用压电式传感器的医学应用 压电传感器的优点： 结构简单、体积小、重量轻，测量的频率范围宽， 动态范围大，性能稳定。53 （1）眼压传感器）眼压传感器 54 力平衡法测量眼压 角膜首先接触传感器表面。 力增大，角膜被压平S1=S2，出现力峰值点。 S1传感器面积，S2角膜平坦区面积，P眼内压。 峰谷点，F弯曲力作用在外圈上

20、。 眼球变形，P，F测。 逐渐移开探头，峰谷小于。 （测量造成眼内液体暂时损失）1FP S测1FP SF测弯曲力55（2）血压测量传感器）血压测量传感器 工作原理： f1发射声源频率 fR反射声源频率 c声波在介质中的速度 v运动物体与声源的相对运动速度超声发生器压电晶体1（逆压电效应）f机械振荡机械波血管壁反射脉动压电晶体2（压电效应）f+f放大测量112Rvfffc1Rfff 56（3）导管端部压电（心音）传感器）导管端部压电（心音）传感器 厚度方向为极化方向，选用压电系数d33。 两片PZT串联工作，输出电压为单片元件的两倍。 压力膜片变形悬臂梁弯曲压电陶瓷拉伸变形压缩变形压电效应57

21、（4）压电微震传感器）压电微震传感器 实际上是加速度传感器（根据牛顿第2定律 F=ma） 手震颤质量块弹簧系统振动压电元件产生电荷 58（5）压电脉博波传感器）压电脉博波传感器 脉搏波传感器就是将脉动波产生的机械振动转换成电信号的一种装置，它能检出血管内压力和容积的变化 。 图6-36是压电脉搏波传感器的结构图。 它的振动由空气室传给受压膜，使之产生位移。由压电元件将位移转换成电量，所以它又叫空气传导型脉搏波传感器。 59（6）压电式心音传感器）压电式心音传感器 如图所示为一种压电式加速度传感器的结构图，这种传感器可用来测量心音。 它的结构很简单，主要是一个振动质量块与压电晶体的一个面相连接。

22、顶盖与质量块之间通过一弹簧加以预应力，这种对系统的预负载，可进行调节，从而使压电元件运用在特性曲线的线性部分。 这种传感器的重量可做得小于30g， 除可用来记录心音信号外，还可用 来测量震颤。60（7）超声血流计）超声血流计 1) 脉冲渡越时间差式超声血流计脉冲渡越时间差式超声血流计61 d 压电超声换能器A、B 距离 Vf 血流速度， Vs 超声波在血液中的速度 两速度的方向角 则：超声波在两探头间的实际速度为 顺流取+，逆流取 超声波在两探头间的实际渡越时间逆流与顺流的渡越时间差：因实际上 ， 测出 就可求出 ，实际系统中，通常使得探头A、B交替发射，接收。cossfVV2222cos(c

23、os)fsfdVtttVV 顺逆22cosfsdVtV tfVfSVV/(cos )sftdVV顺/(cos )sftdVV逆62 2）Doppler频移血流计频移血流计 血液是由液体和其中的运动微粒（血细胞）组成，运动微粒会使超声波产生反射，并发生频率的改变. 基于这物理现象为基础的测量方法统称Doppler技术。 发射探头T，发出频率为fT的超声波窄脉冲。 Vf血细胞速度 Vs超声波速度。 63 11sTdtVf图中b中(1)是某细胞反射超声波的路径，总长为d，从 TR，所花时间为 图中b中(2)为该细胞反射下一个超声波脉冲的途径， 该细胞位移为Vf / fT，即在时间 的位移。11sTd

24、tVf1Tf64 此时，从TR，路径为： 传播时间： 接收信号的频率为： 与发射频率fT混频，可得到差频为： 根据 可求出血流速度Vf。 2fTVdf2221121fffsTsTsTTsVVVdtVf VfV ffV222211222sfffsRTTTsfsfsfVVVVVfffftVVVVVV21fRTsVffVf2fRTTsVffffV 65 把两个相同的声表面波振荡器制作在同一块基片上，在两个声表面波延迟线的传播路径上涂敷固定化抗原膜，只让其中一个振荡器的声波道与被测抗体接触。 因抗原抗体的特异反应，相结合的结果增加了该声道上的附着物的质量载荷，改变了声表面波速度，使振荡频率发生变化。

25、另一个振荡器的声波道保持原状，不与外界被测抗体接触，其声表面波速与振荡频率都不改变。 测量两路振荡器输出频率差，就可测定被测抗体的浓度。 66 6. 6 聚偏二氟乙烯聚偏二氟乙烯PVDF及其应用及其应用 PVDF高分子材料，具有很强的压电性和热释电性效应。 优点：（1）压电常数d比石英晶体高十多倍。（2）柔性和加工性能好， 1mm厚，适于做大面积传感阵列器件。（3）声阻抗与水、人体声阻抗接近。（4）频响宽， 。（5）热稳定性好。5810 5 10 Hz567 一、一、PVDF的结构的结构（一）聚合物压电体的类型1、固有压电体聚合物拉伸前，极化强度为零； 拉伸后，不经电场极化，也显示出压电效应。

26、2、非固有压电体聚合物压电性和热释电性主要 取决于电极化程度。PVDF属于这一类。68 （二）PVDF的晶体结构（图7-35） 69 相非极性，没有压电性和热释电性。 相 相拉伸，极化处理，具有很高的压电和热电常数。 相是PVDF的主要晶向。 将 相膜在6065拉伸35倍，在 T=100 Ep=600kv/cm直流高压下，经30分钟极化处理，得到永久极化强度。 70 二、二、PVDF的工作原理和基本特性的工作原理和基本特性1、PVDF的工作原理 相拉伸强电场极化 相。极化过程与作用与 PZT相似。2、PVDF的基本特性。图6-41、6-42。7172 三、三、PVDF传感元件的结构（设计的一般

27、方法）传感元件的结构（设计的一般方法） 表面形状：膜片形、圆柱形、拱形，膜片厚5100（薄膜），而PZT200 支撑方式：全面支承，梁式支撑， 双片结构、极化矢量：同向、反向。 膜片式灵敏度： p 膜片上均布压力； 膜片厚度。 0333333UdKqp 73 四、应用四、应用 广泛用作脉博计、血压计、起博计、胎心探测器等。 触觉传感陈列: 74 PVDF心音脉博传感器 能很好与人体皮肤接触，能检测到微弱的脉动信号。 测量范围：10250次/分，误差1%。 人体正常心率：60100次/分，运动、生病200次/分。76 6. 7 压电传感器的误差压电传感器的误差 一、环境温度的影响一、环境温度的影

28、响 二、湿度的影响二、湿度的影响 三、横向灵敏度及误差三、横向灵敏度及误差 四、电缆噪声四、电缆噪声 五、接地回路噪声五、接地回路噪声77 6.8 6.8 压电声表面波传感器压电声表面波传感器 声表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是沿着媒质表面传播，幅值随深度迅速减弱的声波。 SAW信号处理器件主要应用于军工领域; SAW频率选择器件、频率控制器件以及SAW传感器则是军民共用的器件。SAW传感器： 如果作为频控元件的SAW元件(SAW延迟线或谐振器)受到力、电、磁、热的作用，会直接导致SAW振荡器的频率变化； 这是SAW传感器的基本工作原理。 如果在频控元件表面沉淀一

29、层对某种化学成份敏感的薄膜，其声阻抗将随该成份浓度变化、振荡器频率亦会随之变化。 78 SAW传感器的优点：高精度、高灵敏度，把被测量转换为电信号的频率测量。抗干扰能力强。易数字化传输、处理和微机接口。易集成化，稳定性可靠性好。体积小，功耗小。a. 逆压电效应：压电应变与电场强度成正比，与电场方向有关。应变比b大几个数量级。b. 电致伸缩：应变与场强平方成正比，与电场方向无关。 79 一、基本工作原理一、基本工作原理 1、产生和检测声表面波的基本方法 （1）耦合器波型转换法 超声波表面探伤 （2）叉指换能器直接激发法 SAWS的主要形式 2、叉指换能器（IDT，Interdigital Transducer） IDT是一种直接激发声表面波的超声换能器，由于它电声转换损耗低，设计灵活且制造简单，容易工作在0.53 GHz的频率范围内，已成为激发与检测声表面波的主要技术，也成为声表面波传感器的基本组成部分，应用甚广。80 （1）叉指换能器的工作原理： 叉指换能器是在压电基片上用真空蒸发淀积一层金属薄膜，再用光刻方法