传感器技术 课件 第7章 压电式传感器

第7章

压电传感器

7.1 压电式传感器的工作原理2

压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。它具有体积小、质量轻、结构简单、频响高、信噪比大等特点。缺点是某些压电材料输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷。

压电式传感器的工作原理是基于电介质材料的压电效应，当对材料的表面施加力时，其表面会产生电荷，电荷经电荷放大器和测量电路放大变换后，成为与外力成正比的电输出，由此再进行测量。值得注意的是压电传感器不能用于静态测量，并且经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。3压电效应可分为正压电效应和逆压电效应，当对电介质材料施以外力时，电介质材料为了对抗变形会在材料表面产生正负电荷，而这种因为形变而产生的电极化现象称为正压电效应。正压电效应7.1.1 压电效应4当对电介质材料施加电场时，电介质材料表面就会出现一些机械形变的现象，并且电介质材料形变的程度与对其施加的外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应。逆压电效应5这种正压电效应能将机械能转换成电能，逆压电效应则反之。单晶材料和多晶铁电陶瓷中都可产生压电效应。压电效应通常都源自于晶体结构。石英等天然材料具有压电效应，原因就在于其自身的晶体结构。压电效应被广泛应用于各种器件如振荡器、换能器、微型直线电机、滤波器等，以及压电式传感器中。压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，而压电方程就是描述压电材料的力学量和电学量之间相互关系的表达式。在压电式传感器中，压电方程通常表现为压电材料受到外力F时，压电材料的某一外表面会产生相对应的电荷Q。其关系表示

Q=dF关系式中的d指压电系数，d是一个常数。因为传感器中的压电材料所受到力的方向和方式不同，其传感器的压电系数也会不同，所以常用d_ij来表示不同的压电系数。6压电材料是指在受到压力电场的作用下能够呈现压电效应的一类材料。这类压电材料可以用来设计高性能传感器。压电材料可分为无机压电材料和有机压电材料两大类。无机压电材料主要包括单晶体材料，压电陶瓷，如铅锆钛酸钾（PZT）、硼酸钠（NaNO3）和锌氧化物（ZnO）等。这些材料具有优异的压电性能和稳定性，广泛应用于传感器、换能器、电子元件等领域。有机压电材料是一类相对较新的材料，由有机聚合物构成，如聚偏氟乙烯（PVDF）和聚偏二氟乙烯三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）。有机压电材料具有较高的柔韧性和可塑性，适合于弯曲和可穿戴应用。7.1.2 压电材料7石英是压电晶体的代表，石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系，为规则的六角棱柱体。石英晶体有3个晶轴如图所示:X轴、Y轴和Z轴。Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴：Y轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。1.

单晶体材料8石英晶体的压电性是由其晶体结构特点所决定的。在石英晶体中，硅原子和氧原子通过共价键结合形成了三维的网状结构，其中硅原子位于晶体的中心位置，而氧原子则位于硅原子周围形成四面体结构。当施加外力或应力于石英晶体时，晶体结构发生变形，导致正负电荷的位移和重新分布，从而在晶体内部产生电荷分离和电势差，表现出压电效应。石英晶体是一种各向异性的介质，在各个方向上晶体性质都是不同的。当施加力沿着电轴X方向时，产生的电荷效应被称为“纵向压电效应”；而当施加力沿着机械轴Y方向时，则产生的电荷效应称为“横向压电效应”。在光轴Z方向受力时，不产生压电效应。1.

单晶体材料91.

单晶体材料

10晶片上电荷极性与其受力方向的关系如下图所示：1.

单晶体材料

a)b)c)d)电荷与受力方向的关系a)x轴向受压力b)x轴向受拉力c)y轴向受压力d)y轴向受拉力11当对压电陶瓷施加机械应力或电场时，压电材料中的正负电荷会分离，并形成一个电畴。电畴是指材料内部的电场强度存在一个方向性的区域。压电陶瓷的电畴可以在材料内部产生极化，即电畴中的正负电荷会分别向材料的不同方向偏移，如图所示。2.

压电陶瓷压电陶瓷中的电畴a)原始状态b）极化状态12

有机压电材料是指由有机分子构成的具有压电效应的材料。相比传统的无机压电材料，有机压电材料具有柔性、低成本、可塑性和可加工性等优点。PVDF是最常见的有机压电材料之一。它具有良好的压电性能、化学稳定性和耐久性。与其他聚合物共聚或掺杂，如聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（P(VDF-TrFE)）、聚偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物（P(VDF-TFE)）等，可以改善其性能并增强压电响应。PVDF具有许多优点:第一是PVDF具有良好的化学稳定性，可以耐受酸碱、有机溶剂和氧化剂的侵蚀。这使得PVDF适用于各种环境条件下的应用，并具有较长的使用寿命。第二是高温稳定性，PVDF具有较高的熔点和玻璃化转变温度，可以在相对高温下保持其性能。这使得PVDF在高温环境中的应用具有优势。第三是PVDF具有相对较高的压电常数，即在施加机械应力或电场时能够产生较大的电荷或机械位移。这使得PVDF在压电传感器和能量收集器等应用中具有优异的性能。3.

有机压电材料13

7.1.3 压电元件变形方式弯曲变形:通过施加机械应力或电场，压电元件可以产生弯曲变形。这种变形是由于电畴的重新排列和材料的压电耦合效应引起的，导致元件在弯曲方向上产生位移。扭转变形:压电元件可以通过施加扭转力或电场来实现扭转变形。扭转变形是由于电畴重新排列导致材料的扭转刚度发生变化，从而使元件发生旋转或扭转。拉伸/压缩复合变形:在某些压电元件中同时施加机械压力或电场，使其产生拉伸或压缩复合变形。这种变形可以通过调节机械压力和电场的作用方式和大小，使元件在多个方向上产生复合变形。14悬臂梁弯曲:通过将一端固定而另一端自由悬挂的压电材料，在施加电场时使悬臂梁发生弯曲变形。这种变形方式常用于微机电系统（MEMS）中的压电传感器和执行器。薄膜/薄片变形:将压电材料制备成薄膜或薄片形式，可以在施加电场或机械应力时实现膜片的形变。这种变形方式常用于柔性电子、压电声发生器和压电传感器等应用中。螺旋形变形:通过将压电材料制成螺旋形状，施加电场或机械应力时可以使螺旋发生扭转和形变。这种变形方式常用于微纳尺度的压电器件和微型驱动器。管状变形:通过将压电材料制备成管状结构，在施加电场或机械应力时可以使管状元件发生径向的膨胀或收缩。这种变形方式常用于液体喷射器和微型泵等应用中。15在实际使用中，若仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种:并联连接和串联连接。

7.2 等效电路和测量电路a)并联b）串联

16当压电传感器的压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷。在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集负电荷。因此压电传感器可以看成是一个电荷发生器。同时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容值为:

7.2.1等效电路

17

a)b)压电传感器的实际等效电路a)电压源b）电荷源压电传感器的灵敏度是指传感器输出信号与输入物理量之间的关系，即传感器对输入物理量变化的灵敏程度。对于压电传感器来说，灵敏度通常以输出电压或输出电荷的变化量与输入物理变化量的比值表示。18

19

7.2.1前置放大器20电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大，因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。电压放大器电路原理图及其等效电路如下:1.

电压放大器a)b)电压放大器电路原理及其等效电路图a)放大器电路b）等效电路21

22

23

24由于电压放大器使配接的压电式传感器的电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离测量的电荷放大器，电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，是具有深度电容负反馈的高增益运算放大器。它的基本电路如图所示:3.

电荷放大器

电荷放大器电路原理及其等效电路图25

26振动加速度测试系统由压电式加速度传感器、电荷放大器、数据采集测试仪组成，由传感器将加速度信号送入电荷放大器，电荷放大器将信号转换为电压信号并放大，通过数据采集测试仪采样，便实现了对信号的采集。采集得到的信号可以通过计算机实时显示、分析和处理，也可以保存以便二次处理。7.3 压电式传感器的应用27PVDF声发射传感器是一种利用PVDF材料的压电效应进行声发射检测的高灵敏度传感器。具有宽动态范围、耐高温和耐疲劳性能，同时结构灵活，能够根据需要进行形状设计和弯曲，适用于各种检测表面的形状。与加速度传感器不同，声发射传感器通过压电晶片自身的谐振变