第7章 压电式传感器

传感器技术与应用2第7章压电式传感器7.1压电式传感器概述7.2压电效应7.3压电材料的压电特性7.4压电式传感器等效电路与测量电路7.5压电式超声波传感器第7章知识目标（1）掌握压电材料类型划分；（2）掌握正压电效应、逆压电效应工作特性；（3）掌握正压电效应对应的压电式传感器的两种等效电路；（4）掌握超声波的定义与物理性质；（5）掌握超声波式传感器的类型划分与检测方式；（6）掌握超声波传感器的结构构成。3第7章能力目标（1）能够结合实际工程需求，选择合适类型的压电式传感器并能够正确应用；（2）能够正确分析实际工程应用案例中的压电式传感器的作用与特性；（3）正确理解压电式传感器与超声波式传感器之间的关联性与差异性；（4）理解超声波传感器盲区存在的原因；（5）掌握超声波传感器的温度补充的必要性及其措施。457.1压电式传感器概述

压电式传感器是一种利用机械能与电能相互转换的压电效应对被测量进行检测的装置。属于有源传感器，具有灵敏度高，频率响应高，响应速度快，测量范围宽，稳定性好，可靠性高，体积小，结构简单等许多性能优点，被广泛应用于高频动态参量的测量。1.压电式传感器基本特性62.压电式传感器典型应用：（1）应用于对车床动态切削力、高频振动等的测量；（2）应用于爆炸冲击、火炮压力等的测试；（3）应用于医学心音、心电图、血压、呼吸，以及生物体器官和组织等检测；（4）应用于噪声、震动等污染源等的检测；（5）应用于汽车的碰撞检测系统、停车辅助系统、轮胎压力监测系统等；（6）应用于对飞行器发动机与机身的振动分析、加速度检测等。73.压电式传感器类型划分89107.2压电效应压电式传感器的工作原理是基于电介质材料的压电效应。具有压电效应的电介质材料称为压电材料。压电材料具有两种可逆的效应：即正压电效应和逆压电效应。电能机械能正压电效应逆压电效应117.2.1正压电效应正压电效应：

指对压电材料按确定方向施加外力，导致压电材料产生机械形变，内部发生极化现象，在压电材料相对的两个极化面分别积聚等量的正、负电荷。机械能→电能12注意：当外部施加的作用力去除后，压电材料将恢复到电中性状态。137.2.2逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应）：

指在压电材料极化方向施加外部交变电场时，压电材料在极化方向产生机械伸缩形变的现象电能→机械能注意：去除外加电场后，压电材料的机械形变也随之消失。147.3压电材料的压电特性7.3.1压电材料类型石英、电气石……各种类型压电陶瓷硫化镉、硒化镉……高分子压电材料聚偏氟乙烯、聚氟乙烯……8-羟基喹啉液晶、硅基液晶……聚偏氟乙烯、聚氟乙烯……结构单元为纳米量级，尺寸范围为1nm~100nm同时具有磁、电、压电等多种特性的材料铁酸铋、钛酸钡……157.3.2压电材料主要特性参数1.压电系数压电常数是衡量压电材料压电效应强弱的重要特性参数压电系数为矢量，具有正、负号，表征的是电荷的正、负分布或电位差的方向。压电系数绝对值越大表明压电效应越强，与压电式传感器的灵敏度密切相关。压电系数不仅取决于压电材料本身，也与压电材料的晶体结构、温度等因素相关。通常以字母“d”表示需要结合具体的实验结果和分析方法来确定压电系数。162.弹性系数指弹性材料在一定变形条件下单位应变所对应的应力值。用于衡量材料受力时的刚度和柔度，反映材料在应力作用下的弹性。

弹性系数具体取值与压电材料的类型、晶体尺寸与结构、施力方向，以及环境温度等因素密切相关，此外还与应变历史相关。如，在一定的应变范围内进行循环加载和卸载会影响弹性系数。173.介电常数压电材料的介电常数是影响压电元件固有电容和频率特性的重要因素之一。4.机电耦合系数压电能密度弹性能密度介电能密度机电耦合系数5.电阻率

压电材料电阻率越高，绝缘电阻就越大，从而减少电荷的泄露，使压电材料具有较好的低频特性。18

指压电材料开始失去压电特性时对应的温度值。6.居里温度居里点例如：铅酸钛的居里温度约为490℃；氧化锆的居里温度则约为1200℃。

不同压电材料的居里温度值不同。197.3.3石英晶体1.石英晶体结构

石英晶体（压电水晶），简称：石英；化学成分为SiO₂，具有六角棱柱体形的单晶体结构。（a）天然石英晶体实物

注意：当前使用的石英晶体多是通过人工培育形成。（b）石英晶体结构示意图202.石英晶体类型石英晶体的熔点为1750℃。在常压和不同的温度条件下石英晶体具有不同的晶体结构：注意：石英晶体处于20℃~200℃之间时，压电系数非常稳定。21未受外力作用

当不受外力作用时，两种离子的空间分布呈正六边形，并形成三个互为120º夹角的电偶极距。三个正离子和三个负离子空间分布分别构成两个等边三角形，两个等边三角形的中心，即正负电荷中心相重合，则电偶极距的矢量和为0，整个石英晶体呈现电中性。3.石英晶体压电效应机理22受外力作用

当石英晶体受外力作用时，晶格内部产生应力和应变，硅离子和氧离子发生相对位移，三个正离子和三个负离子分别对应的三角形中心不再重合，即正负电荷中心不再重合，则电偶极距的矢量和不为0，在晶体表面出现极化现象。注意：当外力被去除后，晶格结构就会恢复到原始状态，晶体表面电荷也会随之消失。23石英晶体为各向异性材料，石英晶体三个轴向的压电特性各不相同。在使用石英晶体时，常需要根据石英晶体各向异性的特性，将其切割为较薄的晶片。石英晶体切片24（1）z轴中性轴沿z轴向施加作用力，不会产生压电效应。当光线沿z轴方向射入时，不会发生双折射现象。光轴

z轴方向不论受到拉力或者是压力，石英晶体在x轴向、y轴向产生的形变完全相同，石英晶体单元内部的正负电荷中心重合，电偶极距的矢量和为0，整个石英晶体依然呈现电中性。25（2）x轴电轴极化轴

沿x轴方向施加作用力，晶体中的硅离子和氧离子发生相对位移，正负电荷中心不再重合，电偶极距的矢量和不为0，在与yoz平面平行的石英晶片的两个表面上将分别产生正、负电荷。石英晶片沿x轴方向受力产生的压电效应也称为“纵向压电效应”。26（3）y轴

沿y轴方向施加作用力时，石英晶体中的硅离子和氧离子也会发生相对位移，正负电荷中心不再重合，电偶极距的矢量和不为0，但是依然是在x轴向产生极化现象，在与yoz平面平行的石英晶片的两个表面上将分别产生正、负电荷。由于在y轴方向只产生机械应变，因此y轴也称为机械轴。机械轴27（4）石英晶片元件的结构与电路图形符号（a）结构示意图

（b）电路图形符号

287.3.4压电陶瓷具有压电常数高，介电常数高，灵敏度高，制作工艺成熟，性价比高等优点。

压电陶瓷属于人工制造的多晶体压电材料。被广泛应用于传感器、声学器件、马达、医疗设备和精密仪器等的制造。1.压电陶瓷的基本特性与类型压电陶瓷片29302.压电陶瓷的极化处理

压电陶瓷为多晶、多相、非均质晶体结构，内部由许多细微的晶粒单元按任意方向排列组成。晶粒单元会自发产生电偶极子，使晶体自发极化，极化方向一致的区域，称为电畴。31（a）极化处理前

各个电畴的极化方向具有随机性和无序性，因此存在相互抵消的现象，压电陶瓷整体呈现电中性。32

为了使压电陶瓷具有显著压电特性，必须在使用前对其进行极化处理——令压电陶瓷具有压电特性的关键。

具体的极化方式丰富，例如：高温极化、低温极化、交流电场极化、直流电场极化、气体极化等。

通过极化处理可以使压电陶瓷内部的电畴沿特定方向有序排列：（b）极化处理中33极化处理典型方式——采用加温和加电场的方式，主要步骤：①

通常采用温度梯度加热法或高频感应加热法，将未极化的压电陶瓷加热至其居里温度以上。②

在压电陶瓷的两端施加一个外电场。通常极化电压在几十伏到几百伏之间。③

保持电场和温度不变，持续一段时间，全部电畴的极化方向与外电场方向一致，实现极化。④

去除外电场，继续保持压电陶瓷在居里温度以上。⑤

将压电陶瓷冷却至室温。34极化达到饱和程度的标准是所有电畴的极化方向均与外电场方向一致。所加外电场越强，压电极化程度也越高。当外电场被去除后，压电陶瓷整体的极化趋势不变，即存在剩余极化现象，从而令压电陶瓷具有显著压电特性：（c）极化处理后353.压电陶瓷的压电效应

当沿着某一方向对经过极化处理后的压电陶瓷施加作用力时，会在垂直于极化方向的两个端面上产生极性相反的电荷，电荷大小与所加压力成正比，呈现正压电效应，z轴为极化轴。（a）沿z轴方向施加压力

电荷量压电陶瓷纵向压电系数z轴方向施加的作用力36（b）沿y轴方向施加压力电荷量垂直于z轴的压电陶瓷晶片面积垂直于y轴的压电陶瓷晶片面积横向压电系数y轴方向施加的作用力374.压电陶瓷材料特点与应用压电陶瓷主要应用于制作超声波发生器、声表面波传感器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、引爆装置和压电陀螺仪等。

压电陶瓷介电系数高，灵敏度高，制备工艺较成熟，易于加工成任意形状，但是机械强度和稳定性不如石英晶体，电损耗也较大。387.4等效电路与测量电路7.4.1等效电路1.压电元件的等效电路电荷源等效电路

当压电晶体受到外力作用时，在其上、下极化表面会分别积聚等量的正电荷和负电荷。当作用力消失时，电荷随之消失。根据此特性，压电元件可以用电荷源和电容相并联的电路模型来等效替代——称为电荷源等效电路或电荷发生器。压电晶片极化面的面积压电晶片的厚度39电压源等效电路

在外力作用下，压电晶体的两个极化面分别积聚的正电荷和负电荷形成一个电场。根据此特性，压电元件可以用电压源和电容相串联的电路模型来等效替代——称为电压源等效电路。402.压电式传感器等效电路417.4.2测量电路1.压电元件串联压电元件串联示意图

压电元件串联电路原理图

多个压电元件按极化方向顺次粘贴在一起，在每两个压电元件之间夹垫金属片，首、尾引出连接导线，构成串联电路结论：三个相串联的压电元件与单个压电元件相比，在相同的外力作用下，总电荷相同，但是输出电压扩大为单个压电元件的3倍，电容量缩小至单个压电元件的三分之一。

输出电压大，电容量小，适用于输入阻抗高，对电压信号进行后续处理的测量电路。422.压电元件并联压电元件并联示意图

压电元件并联电路原理图

结论：三个并联的压电元件与单个压电元件相比，在同样外力作用下，总电荷与总电容量均扩大为单个压电元件的3倍，输出电压与单个压电元件的相同。

输出电荷大，电容量大，对应的时间常数大，因此适用于测量缓慢变化的信号，且适合对电荷信号进行后续处理的测量电路。437.5压电式超声波传感器7.4.1超声波物理属性1.超声波的定义机械波由机械振动引起，通过质点振动在弹性介质中传播形成。20HZ20KHZ声波次声波超声波442.超声波的类型疏密波属于体波质点振动方向与波的传播方向一致能在固体、液体和气体中传播一般用于钢板、锻件的探伤切变波属于体波质点振动方向与波的传播方向垂直能在固体和高粘滞液体中传播一般用于焊缝、钢管的探伤属于导波质点振动轨迹为椭圆形长轴垂直于传播方向，短轴平行于传播方向只能在固体介质的表面传播一般用于薄板、薄壁钢管的探伤兰姆波属于导波质点振动轨迹为椭圆形只能在厚度与其波长相当的薄型固体平板中传播一般应用于薄板、薄壁钢管的钢板分层、划痕、裂纹等缺陷检测453.超声波的传播特性

超声波在介质中的传播速度与介质的弹性常数和介质密度相关，并且还会受到环境温度的影响。

不同类型的超声波在不同介质中的传播速度不同，通常介质密度越高，传播速度越快。注意：不同类型的超声波在同一种固体材料中传播，纵波的传播速度最快，约为横波传播速度的2倍，而表面波的传播速度最慢，约为横波波速的0.9倍。46结论：当超声波的频率确定后，波长越长，超声波的传播速度越快。注意：超声波的传播速度会受到环境温度的影响，对应的关系式：0℃时超声波速度实际环境温度，单位为℃例如：温度0℃时超声波速度是332m/s，当温度升至30℃时，超声波速度变为350m/s，两种温度下超声波速度相差18m/s。在实际工程应用中，一般借助温度传感器对超声波的传播速度进行补偿。474.超声波在传播介质中的衰减（1）声压衰减规律函数式：

（2）声强衰减规律函数式：

距离声源x处的声压声源处的声压衰减系数距离声源x处的声强声源处的声强485.超声波的反射与折射特性反射定律：折射定律：497.5.2超声波传感器工作原理超声波传感器也称为超声波换能器或超声波探头。1.超声波传感器类型划分5051超声波传感器522.超声波传感器检测方式：透射法和反射法533.超声波传感器典型应用案例：——检测板材厚度检测过程：将收发一体式超声波探头紧贴被测板材表面。首先发射超声波，发射出的超声波传播到板材内部的底部被反射回来，超声波探头再接收反射回来的超声波。只要获得超声波探头从发射超声波到接收反射回来的超声波的时间差t，就可以计算得到板材的厚度H，计算公式：54能够检测板材厚度的超声波传感器检测系统的主体硬件构成框图：注意：微处理器输出特定频率的数字脉冲信号或正弦波信号去驱动超声波探头发射超声波。使用较多的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz、80KHz、100KHz等，以适用不同的测量场景需要。557.5.3超声波传感器检测盲