单元五任务二压电传感器

一、任务描述与分析本次学习任务是掌握压电传感器的测量原理，测量转换电路及一些应用实例，要求同学们通过实际设计的动手制作掌握压电传感器在力、压力、加速度、位移、振动等方面测量的应用。

任务二压电式传感器在压力测量中的应用

2/3/20231压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。

压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。

压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。

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二、相关知识（一）压电效应的概念某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面上也会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态。这种现象称之为压电效应——将机械能转换成电能。相反，如果将这些物质(物体)置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质(物体)产生机械变形的现象，称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应——将电能转换成机械能。具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或称为压电元件),压电材料能实现机械能—电能的相互转换，如图5-18所示。2/3/202332/3/20234鸣沙山位于甘肃敦煌市南郊七公里的鸣沙山北麓，面积约200平方公里。游人攀上沙丘，由山顶往下滑，沙砾随人体而落下，也会发出一阵阵轰响，近闻如兽吼雷鸣，远听如神声仙乐。是“郭煌八景”之一，景名“沙岭晴鸣”。2/3/20235天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的力F成正比，这种现象称为压电效应。还有一些人造的材料也具有压电效应。

（二）压电材料的种类具有实用价值的压电材料基本上可分为三大类：

1.压电晶体2.压电陶瓷3.新型压电材料

2/3/202361.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漏、消失。2/3/20237以石英晶体为例来分析：2/3/20238天然形成的石英晶体外形（续）

2/3/20239石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2/3/202310石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。晶振2/3/202311石英晶体的外形和晶轴Z：光轴X：电轴Y：机械轴2/3/202312石英晶体的切片图光轴电轴机械轴2/3/202313石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“＋”代表硅离子Si4+，“－”代表氧离子O2-。

补充：石英晶体产生压电效应的微观机理2/3/202314

硅氧离子的排列示意图(a)xy(b)+xy++---2/3/202315当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图5-5（a）所示。x(a)

Fx=0y+P1P2P3--++-因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。2/3/2023162/3/202317(b)

Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--当晶体受到沿x方向的压力（Fx<0）作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图5-5（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x

方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=02/3/2023182/3/202319当晶体受到沿x方向的拉力（Fx

＞0）作用时，其变化情况如图5-5（c）所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。(c)

Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----2/3/2023202/3/2023212/3/202322可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx

作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。晶体在y（即机械轴）方向的力

Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。

小结2/3/202323石英晶体特点：优点：性能非常稳定、自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等。缺点：压电常数较小。使用范围：标准传感器、高精度传感器、使用温度较高的传感器。2/3/202324将超声波（f>20KHZ的机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的______；蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的______。A.应变效应B.电涡流效应C.压电效应D.逆压电效应请你做一做答案：C、D2/3/2023252.压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。

2/3/202326压电陶瓷的极化(a)未极化;(b)电极化2/3/202327在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，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。让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，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。分析：2/3/202328陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图极化方向-----＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极-----＋＋＋＋＋2/3/202329正压电效应示意图F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋极化方向如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。——正压电效应。2/3/2023302/3/202331若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应，或者由电能转变为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。逆压电效应示意图Ｅ电场方向极化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋2/3/2023322/3/202333压电陶瓷外形

2/3/202334无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

2/3/202335压电陶瓷特点：有良好的工艺性，可以加工成各种形状，压电系数较高，制造成本低，目前国内外生产的压电元件大多采用压电陶瓷。2/3/2023363.新型压电材料：高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。2/3/202337高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

2/3/202338高分子压电薄膜及拉制

2/3/202339可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

2/3/202340压电式脚踏报警器

2/3/202341高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）2/3/202342压电材料应具备以下几个主要特性：①转换性能。要求具有较大的压电常数。②机械性能。机械强度高、刚度大。③电性能。高电阻率和大介电常数。④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。3.

压电材料的主要指标2/3/202343（1）压电系数d

表示压电材料产生电荷与作用力的关系。一般为单位作用力下产生电荷的多少。单位为C/N（库仑/牛顿）。（2）刚度H

压电材料的刚度是它固有频率的重要参数。（3）介电常数ε

这是决定压电晶体固有电容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频率的下限值。（4）电阻R

它是压电晶体的内阻，它的大小决定其泄漏电流。（5）居里点压电效应消失的温度转变点。主要特性指标：2/3/202344在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。石英晶体2/3/202345压电陶瓷主要有以下几种：1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。压电陶瓷2/3/2023462.锆钛酸铅系压电陶瓷（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，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。2/3/2023471.压电半导体材料压电半导体材料有ZnO、CdS

、ZnO

、CdTe等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。新型压电材料2.高分子压电材料目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVDF、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料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。2/3/202348在实验室作检验标准用的压电仪表应采用____压电材料；能制成薄膜，粘贴在一个微小探头上、用于测量人的脉搏的压电材料应采用____；用在压电加速度传感器中测量振动的压电材料应采用_____。A.PTCB.PZTC.PVDFD.SiO2请你做一做答案：D、C、B2/3/202349（三）什么是压电传感器压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。2/3/202350并联时：即传感器的输出电荷量大，电容量大，时间常数大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

串联时：传感器本身的输出电压大，电容量小，响应较快，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。2/3/202351压电传感