医用传感器压电式传感器专家讲座

第6章压电式传感器医用传感器压电式传感器专家讲座第1页等效电路及测量电路1.2第6章压电式传感器压电效应及材料6.16.26.3压电传感器应用医用传感器压电式传感器专家讲座第2页第一节压电效应

一些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）,同时在它两个表面上便产生符号相反电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。看成用力方向改变时,电荷极性也随之改变。这种机械能转换为电能现象,称为“正压电效应”。压电效应医用传感器压电式传感器专家讲座第3页压电效应--定义一些电介质（晶体），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，同时在它两个表面上便产生符号相反电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称压电效应。

医用传感器压电式传感器专家讲座第4页压电效应--分类正压电效应：看成用力方向改变时，电荷极性也随之改变，常把这种机械能转换为电能现象称正压电效应（或顺压电效应）。逆压电效应：当在电介质极化方向上施加电场，这些电介质也会在产生几何变形，当外加电场

撤去时，这些变形也随之消失，这种将电能转化成机械能现象称逆压电效应（或称电致伸缩效应）。

医用传感器压电式传感器专家讲座第5页压电效应含有可逆性，利用这一特征能够实现机械能和电能相互转换。

压电效应--特征压电元件机械能电能逆压电效应正压电效应医用传感器压电式传感器专家讲座第6页医用传感器压电式传感器专家讲座第7页医用传感器压电式传感器专家讲座第8页医用传感器压电式传感器专家讲座第9页医用传感器压电式传感器专家讲座第10页压电晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；新型压电材料：压电半导体(如硫化锌、碲化镉等)

高分子压电材料。自然界中大多数晶体都含有压电效应,但压电效应十分微弱

压电材料--分类分类

含有压电效应材料称为压电材料。医用传感器压电式传感器专家讲座第11页石英是单晶体，含有规则几何外形，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。二、石英晶体医用传感器压电式传感器专家讲座第12页Z轴(光轴），是晶体对称轴，用光学方法确定，作为基准轴。X轴(电轴)，经过正六棱柱相正确两个棱线，且垂直于光轴，该轴压电效应最显著。Y轴(机械轴)，垂直于两个相正确表面，在此轴上加力产生变形最大。医用传感器压电式传感器专家讲座第13页石英晶体压电效应机理石英晶体：SiO2代表硅离子Si4++“

”代表硅离子

2O2–_“

”当石英晶体没有受到外力作用时：正负电荷中心重合晶体表面不产生电荷，呈电中性。医用传感器压电式传感器专家讲座第14页1.当石英晶体在X轴方向上受到压力时：结果：A面上展现负电荷B面上展现正电荷这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷现象，就是“纵向压电效应”。医用传感器压电式传感器专家讲座第15页2.当石英晶体在Y轴方向上受到压力时：结果：A面上展现正电荷B面上展现负电荷这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴晶面上产生电荷现象，就是“横向压电效应”。医用传感器压电式传感器专家讲座第16页3.当石英晶体在Z轴方向上受到压力时：正负电荷一直中心重合，所以晶体表面无电荷产生。沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。医用传感器压电式传感器专家讲座第17页纵向压电效应横向压电效应医用传感器压电式传感器专家讲座第18页表面电荷计算问题有一石英晶体，其长度为5mm，宽度为4mm，厚度为10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求在纵向压电效应压缩力作用下产生电荷量。（d=2.31PC/N）xbzyac医用传感器压电式传感器专家讲座第19页xbzyac当沿X轴施加作用力时，晶片产生厚度变形，并在与x轴垂直平面上产生电荷，且电荷密度与应力成正比：——x轴方向受力压电系数；医用传感器压电式传感器专家讲座第20页xbzyac沿y轴施加作用力时，晶片产生长度变形，并在与x轴垂直平面上产生电荷，且电荷密度与应力成正比：——y轴方向受力压电系数；晶片厚度医用传感器压电式传感器专家讲座第21页结论：①当晶片受到x方向压力作用时，qx只与作用力Fx

成正比，而与晶片尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生电荷与

几何尺寸相关；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；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不论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷之间皆呈线性关系。医用传感器压电式传感器专家讲座第22页压电陶瓷是人工制造多晶压电材料，它比石英晶体压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，所以当前国内外生产压电元件绝大多数都采取压电陶瓷。惯用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）。压电陶瓷产品压电陶瓷压电效应医用传感器压电式传感器专家讲座第23页压电陶瓷：属于铁电体一类物质,是人工制造多晶体压电材料,含有类似铁磁材料磁畴结构电畴结构

电畴:

分子自发形成区域,有一定极化方向,从而存电场①未加电场∴原始压电陶瓷内呈中性不含有压电性质。

在无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布它们极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。医用传感器压电式传感器专家讲座第24页

压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始压电陶瓷展现各向同性不含有压电性。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。所以原始压电陶瓷呈中性，不含有压电性质。

a)极化前b)极化c)极化后医用传感器压电式传感器专家讲座第25页②加电场

施加外电场时，电畴极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多电畴更完全地转向外电场方向。当外电场强度大到使材料极化到达饱和程度，即极化方向都整齐地与外电场方向一致，当外电场去掉后电畴极化方向基本不变，即剩下极化强度很大。∴压电陶瓷极化后含有压电特征未极化时是非压电体医用传感器压电式传感器专家讲座第26页(a)极化处理前剩下极化强度剩下伸长(c)极化处理后直流电场E电场作用下伸长(b)极化处理中医用传感器压电式传感器专家讲座第27页因为经过极化处理压电陶瓷其内部极化强度不为0，即在陶瓷一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。因为束缚电荷作用，在陶瓷片电极面上吸附了一层来自外界自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内束缚电荷符号相反而数量相等。所以整体上表现为电中性。－－－－－

－－－－－

＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附自由电荷示意图医用传感器压电式传感器专家讲座第28页假如在陶瓷片上加一个与极化方向平行压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变，片内正、负束缚电荷之间距离变小，极化强度也变小。所以，原来吸附在电极上自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内正、负电荷之＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋

极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前情况，虚线代表形变后情况）F－＋

间距离变大，极化强度也变大，所以电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。这种由机械能转变为电能现象，就是正压电效应。医用传感器压电式传感器专家讲座第29页

d33—压电陶瓷压电系数F—作用力晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引发剩下极化强度改变，在极化面上产生电荷，电荷量大小与外力成正比关系：d33>>d11、d12

∴压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高医用传感器压电式传感器专家讲座第30页医用传感器压电式传感器专家讲座第31页一样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同电场，如图，因为电场方向与极化强度方向相同，所以电场作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内正负束缚电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，假如外加电场方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－极化方向电场方向Ｅ

这种将电能转变为机械能现象，就是逆压电效应。医用传感器压电式传感器专家讲座第32页医用传感器压电式传感器专家讲座第33页种类：压电单晶体，如石英等；压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。对压电材料特征要求：①转换性能。要求含有较大压电常数。②机械性能。希望它机械强度高、刚度大，以期取得宽线性范围和高固有振动频率。③电性能。希望含有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容影响并取得良好低频特征。④环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求含有较高居里点，取得较宽工作温度范围。⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间改变。

压电材料医用传感器压电式传感器专家讲座第34页一、等效电路

压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质电容器，其电容量为

式中：ε0为真空介电常数；ε为压电材料相对介电常数；d为压电元件厚度；A为压电元件极板面积。

第二节等效电路和测量电路医用传感器压电式传感器专家讲座第35页当压电晶体在外力作用下，其两个极面上将出现极性相反电量相等电荷∴压电传感器能够看作电荷发生器,图(a)同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正、负电荷两表面相当于电容两个极板,极板间物质等效于一个介质,图(b)＋＋＋＋

――――

q电极压电晶体(a)

压电传感器等效原理qCa(b)医用传感器压电式传感器专家讲座第36页当两极板聚集异性电荷时,则两极板展现一定电压,大小为＋＋＋＋

――――

q电极压电晶体(a)

压电传感器等效原理qCa(b)A、d-压电片面积、厚度ε0(=1/3.6

π)、εr-真空、压电材料相对介电常数电容量医用传感器压电式传感器专家讲座第37页（a）等效电压源一个与电容相串联电压源（b）等效电荷源

Caua（a）电压源qCa（b）电荷源

一个与电容相并联电荷源电压灵敏度

电荷灵敏度

二者关系医用传感器压电式传感器专家讲座第38页压电传感器完整等效电路（a）电压源;（b）电荷源压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容CC，前置放大器输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器绝缘电阻Ra。压电传感器完整等效电路可表示成图所表示。医用传感器压电式传感器专家讲座第39页只有当压电传感器内部信号电荷无漏损或外接电路负载RL无穷大时,压电传感器受力后产生电压或电荷才能长久保留,不然电路将以某时间常数按指数规律放电对于静态、低频测量极为不利,必定带来误差只有外力不停以较高频率作用,传感器电荷才能得以补充,压电晶体不适合于静态测量在实际使用时压电传感器总要与测量仪器或测量电路相连接，需考虑压电传感器泄漏电阻、连接电缆等效电容、前置放大器输入电阻和输入电容等思索：压电晶体不适合于静态测量？医用传感器压电式传感器专家讲座第40页二、测量电路

压电传感器要求测量电路前级输入端要有足够高阻抗，这么才能预防电荷快速泄漏而使测量误差变大。压电传感器前置放大器有两个用处：一是把传感器高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器微弱信号进行放大。

∵传感器内阻很大,而输出信号较小,普通不能直接取用∴需要接入高输入阻抗前置放大器医用传感器压电式传感器专家讲座第41页依据压电传感器等效电路可知，传感器输出能够是电压信号，也能够是电荷信号∴有对应两种形式（1）电压放大器：也称作阻抗变换器，其输出电压与输入电压（传感器输出电压）成正比（2）电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比

医用传感器压电式传感器专家讲座第42页（一）电压放大器（1）电路原理图等效电阻等效电容图6-9电压放大器电路原理及其等效电路图

等效电路放大器电路传感器泄漏电阻Re；连接电缆等效电容Ce；前置放大器输入电阻Ri；输入电容Ci电容器上电压

ua=q/Ca医用传感器压电式传感器专家讲座第43页f=Fmsinωt（Fm为幅值）假如压电元件沿电轴为正弦作用力改变，产生电荷与电压也按正弦改变，即Um=dFm/Ca

压电元件输出电压幅值

d—压电系数等效电路放大器电路医用传感器压电式传感器专家讲座第44页Ui幅值Uim为

.等效电路放大器电路（2）放大器输入端电压Ui分析医用传感器压电式传感器专家讲座第45页输入电压和作用力之间相位差为

Ui幅值Uim为

.看成用于压电元件力为静态力（ω=0）时，前置放大器输出电压等于零，因为电荷会经过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻遗漏，所以压电传感器不能用于静态力测量。医用传感器压电式传感器专家讲座第46页

由上式能够看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，当改变连接传感器与前置放大器电缆长度时，Cc将改变，从而引发放大器输出电压也发生改变。在设计时，通常把电缆长度定为一常数，使用时如要改变电缆长度，则必须重新校正电压灵敏度值。电压灵敏度理想情况下，传感器电阻值Re与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即ω(Ca+Ce+Ci

)R>>1，则输入电压幅值Uim

：医用传感器压电式传感器专家讲座第47页结论：理想情况下，输入电压幅值

（a）当ω/ω0>3时，Uim与Fω无关，高频响应特征很好（c）当ω(Ca+Ce+Ci)R>>1，改变压电传感器引线电缆长度时，其电缆电容Ce改变将引发放大器Uim变化∴测量中通常电缆长度需固定(Ce=常数)，不然将引入测量误差（d）电压灵敏度Ku

（b）当为静态力时(ω=0)时，前置放大器输出电压=0

所以压电传感器不能测量静态物理量医用传感器压电式传感器专家讲座第48页（二）电荷放大器为处理电缆分布电容对传感器灵敏度影响和低频响应差缺点，可采取电荷放大器。

电荷放大器含有深度负反馈高增益放大器，常作为压电传感器输入电路，由一个反馈电容Cf和高增益运算放大器A组成。因为放大器开环增益A足够大，而且输入端阻抗很高，放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路Cf。图6-10电荷放大器等效电路f医用传感器压电式传感器专家讲座第49页输入到放大器电荷量为A:放大器开环增益倍数输出电压

放大器输入电荷而反馈电容Cf上电荷有

代入医用传感器压电式传感器专家讲座第50页当A>>1，而(1+A)Cf>>Ca+Cc+Ci时，上式简化为

q：传感器电荷整理,得放大器输出电压医用传感器压电式传感器专家讲座第51页(a)当A足够大时，输出电压与A无关，电荷放大器输出电压uo取决于传感器产生电荷量q及反馈电容Cf

，与电缆电容Cc无关，改变Cf大小便可得到所需电压输出（Cf

=100~104pF；）(b)传感器本身电容Ca和电缆电容Cc将不影响电荷放大器输出，故电缆引线长度改变不会带来测量误差输出电压uo医用传感器压电式传感器专家讲座第52页使用电压放大器时，测量系统对电缆电容改变很敏感，连接电缆长度改变显著影响测量系统输出；使用电荷放大器时，电缆长度改变影响几乎可忽略不计。但与电压放大器相比，电荷放大器价格要高很多，电路也较复杂，调整起来也较困难。电压放大器和电荷放大器主要区分：医用传感器压电式传感器专家讲座第53页【例】如图所表示电荷前置放大器电路。已知Ca=100pFRa=∞，CF=10pF。若考虑引线Cc影响，当A0＝104时要求输出信号衰减小于1％。求：使用90pF/m电缆其最大允许长度为多少?医用传感器压电式传感器专家讲座第54页

在实际应用中，因为单片输出电荷很小，所以，组成压电式传感器晶片不止一片，经常将两片或两片以上晶片粘结在一起。粘结方法有两种，即并联和串联。（三）压电传感器级联方式医用传感器压电式传感器专家讲座第55页并联方法两片压电晶片负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧电极上，传感器电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适合用于测量缓变信号及电荷量输出信号。(a)并联++－－－+医用传感器压电式传感器专家讲座第56页串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适合用于测量以电压作输出信号和频率较高信号。(b)串联+－－+医用传感器压电式传感器专家讲座第57页并联连接串联连接（1）并联：（2）串联：医用传感器压电式传感器专家讲座第58页压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。一、压电式测力传感器

压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力—电转换传感器。当前，测力传感器已组成各种锤头型测力锤，可测量动态力、准静态力和冲击力等。压电式力传感器外形图第三节压电传感器应用医用传感器压电式传感器专家讲座第59页压电式力传感器结构传感器上盖为传力元件，它外缘壁厚为0.1～0.5mm，外力作用使它产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。利用其纵向压电效应，经过d11实现力—电转换。医用传感器压电式传感器专家讲座第60页经过弹性膜、盒等，把压力搜集，转换成力，再传递给压电元件。为确保静态特征及其稳定性，通常多采取石英晶体作压电元件。引线壳体基座压电晶片受压膜片导电片p医用传感器压电式传感器专家讲座第61页二、压电式加速度传感器结构当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力F作用，产生电荷。

q=d11F=d11ma医用传感器压电式传感器专家讲座第62页例1：在体育动态测量中应用压电式步态分析跑台压电式纵跳训练分析装置压电传感器测量双腿跳动态力医用传感器压电式传感器专家讲座第63页例2：压电式血压传感器例3：指套式电子血压计医用传感器压电式传感器专家讲座第64页

测量时将心音传感器底座用橡皮膏与人体体表粘结，传感器感受与人体体表相同频率振动，质量块便有正比于加速度交变力作用在压电晶体上，压电晶体便产生电荷。心音是一个生物机械振动现象，加速度型心音传感器是将一个质量块以一定预应力安装在双压电晶体上，压电晶体和导线都用导电胶粘结在底座上。例4：加速度型心音传感器医用传感器压电式传感器专家讲座第65页例5：微重力压电晶体生物传感器石英晶体谐振频率极大地依赖于晶体以及涂层组合质量。石英传感器，其表面吸附被分析物质而引发谐振频率改变关系为：利用这一原理可对溶液中许多化合物，经过电极上电解沉淀进行测量，比如监测微生物生长率，该方法当浓度在范围内，有很好线性。医用传感器压电式传感器专家讲座第66页例6：超声诊疗仪探头假如换能器中压电陶瓷振荡频率在超声波范围，则其发射或接收声频信号即为超声波，这么换能器称为压电超声换能器。医用传感器压电式传感器专家讲座第67页

转动凸轮开关1，利用凸轮凸出部分推进冲击块3，并压缩冲击块后弹簧2。当凸轮凸出部分脱离冲击块后。因为弹簧弹力作用，冲击块给陶瓷压电元件4一个冲击力，便在压电元件两