第-8-章-压电式传感器

*1第8章压电式传感器8.1压电效应及压电材料

8.2压电式传感器测量电路8.3压电式传感器的应用*28.1压电效应及压电材料正压电效应(压电效应)：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。人们把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。逆压电效应:当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形。人们把这种电能转换为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

*3压电效应可逆性

*4压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换。压电材料分类：压电晶体、压电陶瓷和有机高分子压电材料。*5常用压电材料性能参数*6

一、石英晶体石英晶体：化学式为SiO2，是单晶体结构，正六面体。石英晶体的各向异性：纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。纵向压电效应：把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”；横向压电效应：把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。*7晶体外形(b)切割方向(c)晶片

石英晶体*8天然形成的石英晶体外形*9天然形成的石英晶体外形

*10石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装*11纵向压电效应:

若从晶体上沿y方向切下一块晶片，沿电轴方向施加作用力F1时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，其大小为式中，d11为x方向受力的压电系数。横向压电效应:若在同一切片上，沿机械轴方向施加作用力F2时，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷，其大小为式中，d12为y方向受力的压电系数，其中d12=-d11。*12不受力时(b)x轴方向受力(c)y轴方向受力石英晶体压电模型注：电偶极矩P=ql*13切向效应*14

石英晶体压电效应原理:

（a）石英晶体未受外力作用时，P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。（b）石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，在x轴的正方向出现负电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。（c）石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时，在x轴的正向出现正电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。（d）石英晶体沿z轴方向施加作用力时，晶体不会产生压电效应。（e）当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。*15石英晶体的压电效应演示*16

优点：性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能非常好，绝缘阻抗一般大于1012

。

缺点：石英晶体的压电系数比压电陶瓷小的多，且价格较贵，所以压电石英一般用于制作标准仪器或要求较高的传感器。压电石英特性：*17

二、压电陶瓷压电陶瓷：是人工制造的多晶体压电材料，压电系数高。人工极化：材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在强直流极化电场作用下，电畴的极化方向依外电场方向充分排列。在撤消极化电场后，压电陶瓷内部仍存有很强的剩余极化强度，这时的材料才具有压电特性。*18未极化(b)电极化压电陶瓷的极化*19压电陶瓷外形

*20无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

*21压电陶瓷的正压电效应：式中，

d33——

压电陶瓷的压电系数；

F—作用力。优点：压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。*22钛酸钡（BaTiO3），它的压电系数约为石英的50倍，但居里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。锆钛酸铅（PZT）系列，居里点在300℃以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数。铌镁酸铅：20世纪60年代发展起来的压电陶瓷，具有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受较高的压力。

压电陶瓷材料：*231、某些合成高分子聚合物经延展拉伸和电极化处理而成，如聚偏二氟乙烯(PVDF)；2、高分子化合物中参杂PZT和BaTiO3粉末制成薄膜。

优点：有机高分子压电材料的独特优点是质轻柔软、抗拉强度高，便于批量生产和大面积使用，可制作大面积阵列传感器。三、有机高分子压电材料*24高分子压电薄膜及拉制

*25

高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

*26基本原理：利用压电材料的压电效应，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。应用领域：由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。四、压电式传感器*27相同极性端粘结(b)不同极性端粘结（电学并联）（机械串联、电学串联）压电元件组成压电传感器的连接方式*28并联接法：输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号，并且以电荷作为输出量的场合。串联接法：输出电压大，本身电容小，时间常数小，适宜用于以电压作输出量，并且测量电路输入阻抗很高的场合。压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。*29(a)厚度变形(TE)(b)长度变形(LE)(c)体积变形(VE)(d)面切变形(FS)(e)剪切变形(TS)压电元件变形方式*30压电传感器的预载：（1）消除低压力使用中的非线性；（2）消除传感器内外接触表面的间隙，提高刚度。（3）只有在加预载后,才能用压电传感器测量拉力和拉、压交变力及剪力和扭矩。*315.2压电式传感器测量电路

一、压电式传感器的等效电路由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时，它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质等效于一种介质，则其电容量为*32（a）电压源（b）电荷源压电元件的等效电路*33电压等效电路：压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。电荷等效电路：压电传感器也可以等效为一个与电容相并联的电荷源。*34输出端电压:电压灵敏度:输出端电荷:电荷灵敏度:*35压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻Ri

，输入电容Ci以及压电传感器的等效电容Ca，绝缘电阻Ra。这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路如图所示。*36（a）电压源（b）电荷源压电传感器的实际等效电路*37由于压电效应产生的电荷量很小，达到ｐＡ级电流。因此测量电路要求:前置放大器不仅有足够的放大倍数;而且,还需要有极高的输入阻抗.

二、测量电路：*38

二、测量电路：电压放大器和电荷放大器。

1.电压放大器电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用，则其电压为

式中，Um——压电元件输出电压幅值，Um=dFm/Ca；

d——压电系数。*39（a）放大器电路（b）等效电路电压放大器电路原理及其等效电路图－A－ACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua*40由此可得放大器输入端电