压电式压力传感器

压电式压力传感器第1页，共59页，2023年，2月20日，星期五§1压电效应PiezoelectricEffect雅克·居里（JacquesCurie）（1856年10月29日-1941年），法国物理学家，蒙彼利埃大学教授。皮埃尔·居里(PierreCurie)(1859-1906)居里兄弟第2页，共59页，2023年，2月20日，星期五他们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。1882年，他们证实了李普曼(G．Lippmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计——居里计。第3页，共59页，2023年，2月20日，星期五某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－§1压电效应PiezoelectricEffect第4页，共59页，2023年，2月20日，星期五反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。逆压电效应电能机械能正压电效应第5页，共59页，2023年，2月20日，星期五纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴

(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。1.石英晶体的压电效应石英晶体的晶轴第6页，共59页，2023年，2月20日，星期五（a）yxzOxazybc（b）把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应压电式传感器主要是利用纵向压电效应1.石英晶体的压电效应第7页，共59页，2023年，2月20日，星期五硅氧离子的排列示意图(a)xy(b)+xy++---

石英晶体产生压电效应的微观机理第8页，共59页，2023年，2月20日，星期五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。(a)Fx=0xy+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。第9页，共59页，2023年，2月20日，星期五当晶体受到沿x方向的压力作用时，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。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

(b)Fx>0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0第10页，共59页，2023年，2月20日，星期五当晶体受到沿x方向的拉力作用时，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+++--+----第11页，共59页，2023年，2月20日，星期五当晶体受到沿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。晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz

作用下，晶体不产生压电效应。第12页，共59页，2023年，2月20日，星期五作用力与电荷的关系（a）yxzOxazybc（b）若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿电轴x方向施加应力σx时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力σx

成正比。

第13页，共59页，2023年，2月20日，星期五d11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；b、c——石英晶片的长度和宽度。而P11在数值上等于晶面上的电荷密度将以上两式联立，得第14页，共59页，2023年，2月20日，星期五若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力σy，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷q12，其大小为根据石英晶体轴对称条件：d11=-d12，则：晶片厚度第15页，共59页，2023年，2月20日，星期五①当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；④晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；⑤无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。结论第16页，共59页，2023年，2月20日，星期五压电材料可分为三大类：一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷(多晶半导瓷)；三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。§2压电材料第17页，共59页，2023年，2月20日，星期五压电晶体(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形第18页，共59页，2023年，2月20日，星期五压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性BaTiO3压电陶瓷的极化

第19页，共59页，2023年，2月20日，星期五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-----＋＋＋＋＋第20页，共59页，2023年，2月20日，星期五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。正压电效应示意图F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋极化方向第21页，共59页，2023年，2月20日，星期五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-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋第22页，共59页，2023年，2月20日，星期五对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，这是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量q与作用力Fz成正比，即式中：

d33——压电陶瓷的压电系数；

F——作用力。第23页，共59页，2023年，2月20日，星期五压电陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现正、负电荷，其电荷量q与作用力Fy、Fx也成正比，即式中Az——极化面面积；

Ax、Ay——受力面面积；

d32、d31——压电陶瓷的横向压电系数第24页，共59页，2023年，2月20日，星期五式中石英晶体的压电常数矩阵：压电陶瓷的压电常数矩阵：S=dTs为三个表面的压电电荷密度向量，d为压电常数矩阵，T应力向量第25页，共59页，2023年，2月20日，星期五新型压电材料压电半导体硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等，这些材料显著的特点是：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。有机高分子压电材料其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF)等。其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。第26页，共59页，2023年，2月20日，星期五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。压电性能不随时间变化。第27页，共59页，2023年，2月20日，星期五压电材料压电陶瓷压电晶体钛酸钡BaTiO3锆钛酸铅系列铌镁酸铅DMN铌酸锂LiNbO3石英SiO2PZT-4PZT-5PZT-8性能参数压电系数(C/N)d152604106704102200d11=2.31d31-78-100-185-90-230-25.9d14=2.31d331902004.5200700487相对介电常数(r)120010502100100025003.94.5居里点温度(℃)1153102603002601210573密度(103kg/m3)5.57.457.57.457.64.642.65弹性模量(108Pa)11083.311712324.580机械品质因数300250080≥800105105~106最大安全应力(106N/m2)8176768395~10体电阻率(m)101010101010>1012最高允许温度(℃)80250250350常用压电晶体和压电陶瓷材料特性第28页，共59页，2023年，2月20日，星期五一、压电晶片的连接方式（1）并联：（2）串联：§2等效电路和测量电路第29页，共59页，2023年，2月20日，星期五当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，其电容量为：(a)qCa二、压电传感器的等效电路第30页，共59页，2023年，2月20日，星期五电荷量、电压、电容的关系为因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图(b)。UaCa(b)二、压电传感器的等效电路第31页，共59页，2023年，2月20日，星期五实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路压电传感器的实际等效电路（a）电压源;（b）电荷源二、压电传感器的等效电路第32页，共59页，2023年，2月20日，星期五值得注意的是：1、利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。2、前置放大器的作用：

（1）放大（2）阻抗转换电压放大器电荷放大器第33页，共59页，2023年，2月20日，星期五1、电压放大器第34页，共59页，2023年，2月20日，星期五输入端电压：1、电压放大器第35页，共59页，2023年，2月20日，星期五放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相位差：1、电压放大器第36页，共59页，2023年，2月20日，星期五时间常数1、电压放大器系统固有频率系统高频灵敏度第37页，共59页，2023年，2月20日，星期五由运算放大器构成的电压比例放大器第38页，共59页，2023年，2月20日，星期五2、电荷放大器电荷放大器原理图第39页，共59页，2023年，2月20日，星期五电荷放大器的输出电压uo只取决于输入电荷与反馈电容Cf，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。第40页，共59页，2023年，2月20日，星期五例1：压电式测力传感器压电式三向力传感器§3压电传感器的应用第41页，共59页，2023年，2月20日，星期五电极结构预紧力例2：压电式压力传感器第42页，共59页，2023年，2月20日，星期五压电陶瓷：弹丸起爆装置——破甲弹例3：压电引信/AMuseum/weapon/html/bingqizhishi/danyao/yinxin/20080720/874.html第43页，共59页，2023年，2月20日，星期五产品过载冲击试验跌落高度h被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块加速度产品例4：冲击试验台的标定和检测第44页，共59页，2023年，2月20日，星期五事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体例5：汽车安全气囊系统第45页，共59页，2023年，2月20日，星期五密封容器压力测试法例6：气体发生器输出特性测试第46页，共59页，2023年，2月20日，星期五加速度160ug~10g速度0.4~80cm/s振幅4um~8cm转换开关SA：V：D：积分：振动速度、幅值例7：振动测量仪第47页，共59页，2023年，2月20日，星期五例8：压电式血压传感器第48页，共59页，2023年，2月20日，星期五例9：指套式电子血压计第49页，共59页，2023年，2月20日，星期五例10：玻璃破碎报警器第50页，共59页，2023年，2月20日，星期五第51页，共59页，2023年，2月20日，星期五例11：水深测量仪第52页，共59页，2023年，2月20日，星期五声表面波传感器延迟时间SAW振子：LC谐振回路振动频率例12：逆压电效应的应用第53页，共59页，2023年，2月20日，星期五结冰现象的危害：铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、冷库物资防冰、飞机安全飞行结冰状况监测：是否结冰