压电原理及材料

第五章压电传感器

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。在测量中，被测动态力和动态压力通过压电传感器变化转换为电荷量的变化，再经测量转换电路转换为输出电压。压电传感器是属于自发电型传感器。6/17/20241在完全黑暗的环境中，将一块干燥的冰糖用榔头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应。小实验6/17/20242第一节压电传感器的工作原理

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。压电式传感器主要用途：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（例如重量）的测量。6/17/20243压电式传感器是一种典型的有源传感器；压电效应具有可逆性，也是一种典型的“双向传感器”；压电式传感器的特点:工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。压电效应最贴近生活的应用：燃气灶与打火机6/17/20244一、压电效应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。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。6/17/20245自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦煌的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振动压力下，表面产生电荷，在某些时刻，恰好形成电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出声音。与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振动而发声的。小知识6/17/20246清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”。6/17/20247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。6/17/20248二、压电材料的分类及特性

压电传感器中的压电元件材料一般有三类：一类是压电晶体（如上述的石英晶体）；另一类是经过极化处理的压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。6/17/20249（一）石英晶体天然形成的石英晶体外形六角形晶柱6/17/202410天然形成的石英晶体外形（续）

6/17/202411石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装6/17/202412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6/17/202413石英晶体的特性与其内部分子结构有关。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。定性分析：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，且三个电偶极矩的矢量和为0。6/17/202414在晶体的线性弹性范围内，在x方向所产生的电荷qx与作用力Fx成正比，即

qx=d11Fx式中，d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体的d11=2.31*10-12C/Nqx--垂直于X轴的平面上的电荷Fx-沿X轴方向施加的作用力晶体受到x方向的压力Fx作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象；6/17/202415由上述公式我们看到：电荷qx的符号表示受压力还是受拉力切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比晶片电荷极性与受力关系极间电压

qx=d11Fx6/17/202416若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为

qy=d12(L/a)Fy

式中，d12---y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性,有d12=-d11；qy---垂直于x轴平面上的电荷Fy---沿y轴方向施加的作用力L、a-晶体切片的长度、厚度6/17/202417由上述公式我们看到：沿机械轴y方向作用力在晶体表面产生的电荷与晶体切片的尺寸有关；沿y轴作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所产生的电荷极性是相反的。qy=d12(L/a)Fy6/17/202418当石英晶体沿z轴方向作用力时，由于晶体沿x轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即d13=0

6/17/202419（二）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）。

6/17/202420压电陶瓷的极化过程6/17/202421压电陶瓷外形

6/17/202422无铅压电陶瓷及其换能器外形

（上海硅酸盐研究所研制）

6/17/202423（三）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。高分子压电材料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。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。6/17/202424高分子压电薄膜及拉制

6/17/202425高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆

6/17/202426可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板

6/17/202427压电式脚踏报警器

6/17/202428高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）6/17/202429压电材料的特性：（1）压电系数：是衡量材料压电效应强弱的参数，与压电输出灵敏度有关。（2）弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电元件的固有频率和动态特性。（3）介电常数：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）机械耦合系数：在压电效应中，转换输出能量与输入能量之比的平方根，是衡量压电材料机械能—电能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少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。（6）居里点温度：是指压电材料丧失压电特性的温度。表5-26/17/202430压电晶片的连接方式以压电效应为基础的压电传感器是一种具有高内阻而输出信号又很弱的有源传感器。在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。压电晶片的连接方式多片压电材料的连接方式有串联和并联两种。6/17/202431第二节压电传感器的测量转换电路

等效电路：压电器件从功能上讲，是一个电荷发生器；压电器件从性质上讲，是一个有源电容器。6/17/202432根据压电片的串并联，其等效电路为电压源和电荷源电压源电荷源实际电荷源在进行非电量测量时，为了提高灵敏度和测量精度，一般采取多片压电材料组成一个压电敏感元件，并接入高输入阻抗的前置放大器。6/17/202433并联输出型压电元件可以等效为电荷源。压电效应产生的电荷量很小，达到pA级电流。因此在接成电荷输出型测量电路时，也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。6/17/202434电荷源测量电路（电荷放大器）6/17/202435压电传感器的测量转换电路

电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响很小：电荷放大器能将压电传感器输出的电荷转换为电压（q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。6/17/202436四通道电荷放大器外形

.6/17/202437上图所示的四通道电荷放大器指标（参考东方振动和噪声技术研究所资料）灵敏度：0.1～1000mV/pC

频率范围：0.3～100KHz

噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV

准确度：1%

最大输出：±10V/10mA

电

源：220V/50Hz

控制方式：

计算机或手动焊接式电荷放大器6/17/202438超小型电荷放大器模块

主要指标:

灵敏度：1、10、100mV/pC(任选一档)

频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选)

噪声(最