压电式传感器

压电式传感器第1页，共40页，2023年，2月20日，星期三传感技术第2页，共40页，2023年，2月20日，星期三6.1、压电效应与压电材料

一、压电效应：压电效应是可逆的，它包括正压电效应和逆压电效应。1、正压电效应

习惯上称作压电效应。沿电介质的某轴向施加外力（拉力或压力）作用使其变形时，其内部产生极化现象，导致其两个相对表面同时产生正比于外力大小相等、符号相反的电荷。外力去掉后，又恢复不带电状态。这种将机械能转换成电能的现象，称正压电效应。2、逆压电效应

如果将电场施加于压电材料某一轴向，使其产生于正比于电场强度且与电场方向有关的机械变形，这种将电能转换为机械能的现象，称为逆压电效应。第3页，共40页，2023年，2月20日，星期三3、电致伸缩效应

在电介质的极化方向施加电场，这些电介质在电场作用下，会由于极化而引起与电场方向无关，而与电场强度的平方成正比的变形，这种将电能转换为机械能的现象，称为电致伸缩效应。4、纵向压电效应

当外力方向与生成电势差方向一致时，称为纵向压电效应；5、横向压电效

当外力方向与生成电势差方向垂直时，称为横向压电效应。第4页，共40页，2023年，2月20日，星期三定义：具有压电特性的电介质称为压电材料，用压电材料制成的传感器叫做压电传感器。

压电传感器是一种发电传感器。

二、压电材料1、分类：压电晶体、压电陶瓷和新型压电材料。第5页，共40页，2023年，2月20日，星期三2、压电材料的特性

①、转换性能好。具有较大的压电系数；②、机械性能好。机械强度高，刚度大，固有频高且稳定，线性范围宽；③、电性能好。电阻率ρ高，介电系数ε大，具有良好的低频特性；④、环境适应性好。具有温度、湿度的稳定性，工作温范围宽，居里点（即压电材料开始丧失压电特性的温度，又称居里温度）高；⑤、时间稳定性好。压电特性不随时间变化而变化。第6页，共40页，2023年，2月20日，星期三3、压电材料参数（1）压电常数d。这是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压力输出灵敏度。（2）弹性常数E。压电材料的弹性常数（刚度）决定着压电器件的固有频率和动态特性。（3）介电常数ε。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。（4）机电耦合系数。它定义为：在压电效应中，转换输出的能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。（5）电阻。压电材料的绝缘电阻将减小电荷的泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点。即压电材料开始丧失压电特性的温度。第7页，共40页，2023年，2月20日，星期三4、压电晶体介绍

常见的压电晶体有天然的和人造的石英晶体，还有水溶性晶体。

（1）、石英晶体介绍

①、化学成分：SiO2；②、压电系数高。d11=2.31×10-12C/N；③、固有频率稳定；④、温度性能好，工作温度范围宽，在20—2000C范围内，温度升高10C，压电系数仅减小0.016%，居里温度5730C；⑤、机械性能好，能承受700—1000Kg/Cm2的压力；⑥、最突出的优点是性能稳定，绝缘强度好，εr=4.6；⑦、价格昂贵，一般用在标准仪器或要求高的传感器中；⑧、具有各向异性。因此在设计石英传感器时，应根据不同使用要求，正确使用石英晶片切型。第8页，共40页，2023年，2月20日，星期三（2）、其他水溶性晶体介绍

①、属单斜晶系的有：酒石酸钾钠、酒石酸烯二铵；②、属正斜晶系的有：磷酸二氢钾、磷酸二氢铵等；

③、人工合成的铌酸锂晶体、居里温度高达12000C第9页，共40页，2023年，2月20日，星期三5、压电陶瓷介绍

压电陶瓷是人造的多晶系压电材料，具有很高的压电常数。常用的压电陶瓷有：（1）、钛酸钦（Ba2TiO3），其特点有：①、压电系数很高，d33=190，d31=-78，（石英d11=2.31）；②、介电常数大。εr=120（石英εr=4.6）；③、居里温度低。1150C（石英5730C）④、温度稳性和机械强度不如石英。第10页，共40页，2023年，2月20日，星期三(2)锆钛酸铅系[P2b（ZrTi）03]（PZT），其特点：①、介电系数很高，εr=460—3400；②、压电系数很大，d31=-100—-270，d33=230；③、居里温度在3000C以上。

（3）、铌酸盐系①、铌酸铅（Pb NbO3），居里温度高达5700C，但εr低；②、铌酸钾（KnbO3），居里温度为4800C，特别适用于10—40MH高频换能器中。近年来发现铌酸盐系压电陶瓷在水声传感器方面受到重视，适用于深海水听器中。（4）、铌镁酸铅压电陶瓷（PMN）

其压电系数很高d33=800—900，可做高温下力传感器

第11页，共40页，2023年，2月20日，星期三6、新型压电材料（1）压电半导体。氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、碲化镉（CdTe）。（2）有机高分子压电材料。聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）和尼龙等。第12页，共40页，2023年，2月20日，星期三三、压电材料的压电效应机理

1石英晶体结构：天然石英晶体的形状为六角形、两端为六棱锥体，因而它有三个座标系。在三个座标系中：如图6—1所示

Z轴称为光轴。沿Z轴方向施加作用力，不产生压电效应。X轴称为电轴。沿X轴方向施加作用力，产生的压电效应称为纵向压电效应。Y轴称为机械轴。沿Y轴方向施加作用力，产生的压电效应称为横向压电效应。第13页，共40页，2023年，2月20日，星期三如果从石英晶体上沿Y轴方向切下一块晶片，当在X轴方向施加作用力FX时，则在与电轴X垂直的表面上将产生电荷qx

。其大小为：qx=d11Fx

式中d11——晶体X方向受力后的压电系数；Fx——在X轴方向施加的作用力。如果在同一石英切片上，沿机械轴Y方向施加作用力Fy，则仍在与X轴垂直方向的表面上产生电荷qy

其大小为：因为所以式中：d12—晶片Y轴方向受力后的压电系数

a、b——分别为石英晶片的长度和宽度。第14页，共40页，2023年，2月20日，星期三2、石英晶体压电效应产生的原因（1）、石英晶体未受到外力作用时，如图6—2（A）示。石英晶体的晶格是正六边形，正离子Si+和负离子0-正好分布在正六边形的顶角上，形成了三个互成1200夹角的偶极矩、和，其大小为：第15页，共40页，2023年，2月20日，星期三由于是正六边形，正负电荷中心重合。因此电偶极矩矢量和等于0。即

故电荷平衡，晶体表面不产生电荷，呈中性。

（2）、石英晶体受到沿X轴方向的压力作用，即FX<0，如图6—2（B）示。石英晶体将在X轴方向产生压缩变形，正、负离子的相对位置发生变化。正硅离子①被挤入到负离子②和⑥之间，负离子氧④被挤入到正离子③和⑤之间，此时石英晶体不再是正六边形了，因而正、负电荷中心不再重合，电偶极矩矢量和在X、Y、Z三个轴方向的分量，分别为：结果在沿X轴正向垂直表面上出现负电荷，其相对表面出现正电荷。第16页，共40页，2023年，2月20日，星期三

（3）、石英晶体受到沿X轴方向的拉力作用，即FX>0，如图6—2（C）示。石英晶体便在X轴方向上产生拉伸变形，正、负离子发生相对变化。正离子①被拉得远离负离子②和⑥，负离子④被拉得远离正离子③和⑤，此时晶体不再是正六边形，因而正、负离子电荷不再重合。电偶极矩矢量在X、Y、Z三个轴方向的分量，分别为：结果在沿X轴正向垂直表面上出现正电荷，其相反表面出现负电荷

（4）、石英晶体受到沿Y轴方向的压力作用，FY<0，如图6—2（D）示。结果与石英晶体受到沿X轴方向的拉力作用时相同；第17页，共40页，2023年，2月20日，星期三（5）、石英晶体受到沿Y轴方向的拉力作用，Fy>0，如图6—2（E）示。其结果与石英晶体受到沿X轴方向的压力作用时相同；

（6）、石英晶体受到Z轴方向的作用力，不管是拉力还是压力，如图6—2（F）示。由于在X轴和Y轴方向均未受到作用力，因而石英晶体中的正、负离子的相对位置并未发生变化，因而晶格保持正六边形不变，其正、负电荷的中心始终是重合的，因此电偶极矩的矢量和等于0。即

因此沿Z轴方向施加作用力，不管是拉力或压力，石英晶体均不产生电效应，因而没有电荷出现。

第18页，共40页，2023年，2月20日，星期三结论：1、一般定义：F<0为压力，F>0为拉力；2、Fx

<0和Fy

>0时的情形相同。在X轴正向垂直表面上出现负电荷，相对表面出现正电荷；如图7—3（B）和（E）示3、Fx>0和FY<0时的情形相同。在X轴正向垂直表面上出现正电荷，相对表面出现负电荷；如图6-3（C）和（D）示：4、沿X施加作用力（Fx>0或Fx<0），在X轴垂直表面出现电荷的现象称为纵向压电效应；5、沿Y施加作用力（Fy>0或Fy<0），在X轴垂直表面出现电荷的现象称为横向压电效应；6、沿Z轴施加作用力（Fz>0或Fz<0），不产生压电效应；7、纵向压电效应——qx=d1nFx

横向压电效应——qx大小与晶片几何尺寸无关；qy大小与晶片几何尺寸有关；qx、qy的符号由受力方向（拉力或压力）决定。第19页，共40页，2023年，2月20日，星期三

（二）压电陶瓷

1、压电陶瓷的结构：压电陶瓷是人造多晶体，其压电原理与石英晶体完全不同。其结构为多晶体，如图64所示。内部存在许多电畴，就象磁性材料内部存在磁畴样。压电陶瓷刚烧结成时，其内部各晶粒中的电畴的自发极化方向是杂乱无章、相互抵消的。

第20页，共40页，2023年，2月20日，星期三2、压电陶瓷的极化

极化的目的是设法使压电陶瓷内部杂乱无章相互抵消的电畴方向取向一致。在烧结后的压电陶瓷上施加一外磁场E，在电场作用下，电畴的自发极化方向趋向电场，方向一致。极化后压电陶瓷有一定的极化强度。当外磁场去掉后，各电的极化方向基本上保持与原电场方向一致，保留一些极化强度。由于存在极化强度，在压电陶瓷极化方向两端便出现束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷极化方向两端很快吸附一层来自外界的自由电荷。在无外力作用时，束缚电荷和自由电荷在数量上相等，极性相反，对外不显电性。如图6—5（a）所示。第21页，共40页，2023年，2月20日，星期三3、压电陶瓷的压电效应

如果在压电子陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压力（F<0），陶瓷片会发生变形。片内束缚电荷的距离变小，电畴发生偏转，极化强度变弱，吸附在其表面的部分自由电子被释放而呈现放电现象。陶瓷压电效应释放的电荷为：q=d33Fd33—压电陶瓷的压电系数。当压力去掉后，陶瓷片恢复原状，片内正负电荷的距离变大，极化强度又更大，因而极化方向表面又吸附一部分自由电荷出现充电现象。这种由机械能转换成电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。同样，在压电陶瓷极化方向加一个电场，如果外加电场方向与极化方向一致，便会产生拉伸变形；如果电场方向与极化方向相反，就会产生压缩变形。这种由电能转为机械能的现象，就是压电陶瓷的逆压电效应。第22页，共40页，2023年，2月20日，星期三6、2压电传感器的等效电路和测量电路一、压电晶片的连接方式：制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘连在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，故连接方式有两种：串联式与并联式。第23页，共40页，2023年，2月20日，星期三1：串联式接法：如图6—6（A）所示：上正下负（上+下-），中间为负、正，所以相当于两个晶片串联在一起。输出电压为单片的2倍，输出电荷等于单片电荷；输出电容为单电容的。即：

结论1、串联式接法输出电压高，输出电容小，适宜于以电压为输出量和测量电路输入阻抗很高的地方；2、并联式接法输出电荷大，输出电容大，故时间常数大。适宜于测量缓变信号并以电荷为输出信号的地方

2、并联式接法：如图6—6（B）所示：上正下正（上+下+），中间为负，两个晶片并联，输出电压为单片电压，输出电荷为单片2倍；输出电容为单片2倍。即第24页，共40页，2023年，2月20日，星期三二、压电传感器的等效电路：从功能上讲，压电传感器相当于一个电荷源；从性能上讲，压电传感器相当于一个有源电容器，其电容量为：h—为压电晶片厚度，压电传感器的等效电路有两种

1、等效为一个与电容串联的电压源。开始时，其输出电压和电压灵敏度分别为：F—作用在压电晶片上的外力。但是，只有当在外电路负载无穷大，内部无漏电时，受力产生的电压才能长期不变。而实际上，负载不可能无穷大，则电路就要以时间常数τ=RLCa按指数规律放电。因此，对于测量静态信号以及低频准静态测量时极为不利，必然会带来测量误差。所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。第25页，共40页，2023年，2月20日，星期三2、等效为一个与电荷源与电容器并联电路开路时，输出端电荷和电荷灵敏度为：q=UaCa

Ua—极板电荷形成的电压，

Kv与Kq的关系：

三、压电传感器在实际测量系统中的等效路上述等效电路及其输出，只是在压电传感器理想绝缘、无泄漏，输出端开路条件下才成立。而实际上总利用电缆将压电传感器接入测量电路或仪器。因此，必须考虑到连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci，加上传感受器的内部存在汇漏电阻Ra，因此实际的等效电路如图6—8（A）和（B）所示：第26页，共40页，2023年，2月20日，星期三四、压电传感器的测量电路由于压电传感器是一个有源电容器，就必然存在与电容传感器相同的弱点—高内阻，小功率，因此必须加以解决。第一、由于输出功率小，因此必须进行前置放大，且要求放大倍数大，灵敏度高，输入阻抗Ri大；第二、由于高内阻，使得压电传感器难以直接使用一般放大器，必须使用前置阻抗变换。总之一句话，压电传感器的输出端必须先接入一个输入阻抗很高的前置放大器，再接一般放大器。由于压电传感器既可以等效为一个与电容串联的电压源，又可以等效为与电容并联的电荷源，所以前置放大器也有两种：电压放大器和电荷放大器，它们必须具备两种功能：信号放大和阻抗变换。传感技术第27页，共40页，2023年，2月20日，星期三1、电压放大器（又称阻抗变换器）设

压电传感器的开路电压如果压电器件受到沿电轴方向施加的交变力F为则压电传感器输出电压为：第28页，共40页，2023年，2月20日，星期三式中压电回路的输出特性；

为压电回路输出电压幅值，亦即前置放大器的输入电压幅值。称为输入电压与作用力之间的相位差。压电回路输出电压灵敏度为：

其幅值：

第29页，共40页，2023年，2月20日，星期三

在理想情况下：Ra和Ri无限大，故R=Ra//Ri也无限大，因此：（ωR）2（Ca+Ci+Cc）2>>1故称为理想情况下压电回路输出电压或前置放大器的输入电压。则

令

则

式中：

称为测量回路的固有频率。相角

第30页，共40页，2023年，2月20日，星期三电压幅值比、相角φ与频率之间的关系为图6—10所示。由图知①、当ω=0时，即作用于压电传感器的力F为静态力。前置放大器的输入电压Uim=0，这是由于电荷会通过放大器的输入电阻Ri和电压器件本身漏电阻Ra放掉。所以压电传感器不适用于静态测量。②、当，前置放大器输入电压Uim随频率变化，但变化不太大；③、当以后，压电器件的输出电压Uim与作用力的频率ω无关。说明压电传感器的高频响应特性好。即输出电压不受频率限止，所以压电传感器特别适用于高频交变力的测量；④、由于采用电压放大器的压电传感器的压电灵敏度受电缆分布电容C的影响。即因此，在使用压电传感器时要注意：一要引线电缆不能太长，否则会降低电压灵敏度K；二要不能随便改变引线电缆长度，否则电压灵敏度会改变。第31页，共40页，2023年，2月20日，星期三电荷放大器是一个有反馈电容的高增益运算放大器，当略去R=Ra//Ri后，电路如图6—11所示。其中A为运算增益。由于运算放大器的输入端几乎无分流，电荷q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近放大器的输出电压为：

当A>>1，且满足时，式中：U0—电荷放大器输出电压；Ucf—反馈电容Cf两端电压。2、电荷放大器：由上式可见：电荷放大器的输出电压U0与电缆电容Cc无关，且与q成正比。这是电荷放大器的最大特点。因此使用较多。但最初因运算放大器价格昂贵，应用受到限制；随着集成运算放大器价格降低，目前生产的压电传感器越来越多使用电荷放大器。电压放大器电路简单元件少，价格便宜，工作可靠，但引线电缆不宜太长。提请特别注意：这两种放大器电路的输入端都要加过载保护电路，防止传感器过载时产生过高的输出电压。第32页，共40页，2023年，2月20日，星期三6.3压电式传感器的应用一、压电式测力传感器:单向力传感器：如图6—12所示：两片压电晶片沿电轴方向叠在一起，采用并联接法，中间为片形电极（负极），它收集负电荷。底座与传力盖形成正极，绝缘套使正、负极隔离。压电式测力传感器由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及底座等组成。其中又分为测单向力、双向力和三向力传感器。被测力F通过上盖使压电晶片沿电轴方向受压力作用，便使晶片产生电荷，负电荷由片形电极（负极）输出，正电荷与上盖和底座连接。这种传感器有以下特点：①、体积小，重量轻（仅10g）；②、固有频率高（约50—60KHz）；③、可检测高达5000N（变化频率少于20KHz）的动态力，④、分辩率高，可达10-3N。第33页，共40页，2023年，2月20日，星期三二、测表面粗糙度

传感器由驱动器拖动其触针在工件表面以恒速滑行，工件表面的起伏不平使触针上下移动，使压电晶片产生变形，压电晶片表面就会出现电荷，由

引线输出的电信号与触针上下移动量成正比

三、压电引爆

原理如图7—14所示：平时两根线是开路的，没有电流流过，也不产生短路打火，故电雷管不爆炸。当用一个力F撞击压电晶体，压电晶体便产生电荷，从而使两根线发生短路放电而产生火花，导致电雷管爆炸

第34页，共40页，2023年，2月20日，星期三原理如图7—15所示：当使用者将开关往里压时，打开气阀，再旋转开关，使弹簧往左压，这时弹簧有一个很大的力，撞击压电晶体，使压电晶体产生电荷，经高压线至燃烧盘产生高压放电，产生火花，导致燃烧盘的煤气点火燃烧。其他还有压电式压力传感器、压电式加速度传感器以及测微重物的压电晶体生物传感器等等。四、煤气灶电子点火装置

第35页，共40页，2023年，2月20日，星期三1：什么叫压电效应？什么叫正压电效应？什么叫逆压电效应？答：压电效应是正压电效应和逆压电效应的总称。给晶体施加外力，晶体表面便产生正比于外力大小的电势，或者在电材料上施加电场，便产生于正比于电场强度的机械变形，这种现象便称为压电效应。正压电效应，习惯上称为压电效应。沿电介质的某轴向施加外力作用使其变形时，其内部产生变形现象，导致其两个相对表面同时产生正比于外力大小的大小相等、方向相反的电荷。外力去掉后，又恢复不带电状态。这种将机械能转换为电能的现象称为正压电效应。逆压电效应是：如果将