機械測試技術(shù)基礎(chǔ)：第5-2 壓電傳感器56

1、 5.2 壓電傳感器壓電傳感器 壓電傳感器：壓電傳感器：一種有源傳感器，亦即發(fā)電型傳感器。它利用某些材料一種有源傳感器，亦即發(fā)電型傳感器。它利用某些材料的壓電效應(yīng)，這些材料在受到外力的作用時，在材料的某些表面上產(chǎn)的壓電效應(yīng)，這些材料在受到外力的作用時，在材料的某些表面上產(chǎn)生電荷。生電荷。 1、壓電效應(yīng)、壓電效應(yīng) （1）壓電效應(yīng)）壓電效應(yīng)(piezoelectric effect)： 某些材料當(dāng)它們承受機械應(yīng)變作用時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化作某些材料當(dāng)它們承受機械應(yīng)變作用時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化作 用，用，從而會在材料的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷；或者反過來當(dāng)它們承受電場作用從而會在材料的相應(yīng)表面產(chǎn)生電荷；或者反過

2、來當(dāng)它們承受電場作用時會改變其幾何尺寸。時會改變其幾何尺寸。 （2）材料分類：）材料分類：單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、硫酸單晶壓電晶體，如石英、羅歇爾鹽（四水酒石酸鉀鈉）、硫酸鋰、磷酸二氫銨等；鋰、磷酸二氫銨等； 多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛等；多晶壓電陶瓷，如極化的鐵電陶瓷（鈦酸鋇）、鋯鈦酸鉛等； 某些高分子壓電薄膜。某些高分子壓電薄膜。2 壓電效應(yīng)分析壓電效應(yīng)分析（1）晶體縱向壓電效應(yīng)分析）晶體縱向壓電效應(yīng)分析晶片在電軸晶片在電軸XX方向上方向上受到壓應(yīng)力受到壓應(yīng)力xx作用作用切片在厚度上產(chǎn)生變形切片在厚度上產(chǎn)生變形并由此引起極化現(xiàn)象并由此引起極

3、化現(xiàn)象圖 3.5-1極化強度極化強度Pxx與應(yīng)力與應(yīng)力xx成正比，即成正比，即式中式中Fx沿晶軸沿晶軸XX方向施加的壓力；方向施加的壓力；d11壓電系數(shù)，石英晶體的壓電系數(shù)，石英晶體的d11=2.310-12CN-1；l切片的長；切片的長；b切片的寬。切片的寬。極化強度極化強度Pxx又等于切片表面產(chǎn)生的電荷密度，即又等于切片表面產(chǎn)生的電荷密度，即 式中式中qxx垂直于晶軸垂直于晶軸X-X的平面上產(chǎn)生的電荷量。的平面上產(chǎn)生的電荷量?？傻茫嚎傻茫簂bFddPxxxxx1111lbqPxxxxxxxFdq11（3.5-1）（3.5-2）（3.5-3） 當(dāng)石英晶體切片受當(dāng)石英晶體切片受X向壓力作用時，

4、所產(chǎn)生的電荷量向壓力作用時，所產(chǎn)生的電荷量qxx與作用力與作用力Fx成正比，但與切片的幾何尺寸無關(guān)。成正比，但與切片的幾何尺寸無關(guān)。（2）晶體橫向壓電效應(yīng)分析）晶體橫向壓電效應(yīng)分析在（在（YY）施加作用力）施加作用力Fy 式中式中d12石英晶體在石英晶體在YY軸方向受力時的壓電系數(shù)；軸方向受力時的壓電系數(shù)；ly，lx石英切片的長和厚。石英切片的長和厚。根據(jù)石英晶體軸的對稱條件有根據(jù)石英晶體軸的對稱條件有 yxyyxyxyFlldFblbldq12121112dd（3.5-4） 則式（則式（5.73）變?yōu)椋┳優(yōu)楫?dāng)沿著機軸當(dāng)沿著機軸YY方向施加壓力時，產(chǎn)生的電荷量與晶片幾何尺寸有關(guān)，方向施加壓力時

5、，產(chǎn)生的電荷量與晶片幾何尺寸有關(guān)，而該電荷的極性則與沿電軸而該電荷的極性則與沿電軸XX方向加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反方向加壓力時產(chǎn)生的電荷極性相反（式中負號）。（式中負號）。 （3）鐵電陶瓷壓電效應(yīng)分析）鐵電陶瓷壓電效應(yīng)分析 鐵電陶瓷是另一類人工合成的多晶體壓電材料，它們的極化過程鐵電陶瓷是另一類人工合成的多晶體壓電材料，它們的極化過程與單晶體的石英材料不同。這種材料具有電疇結(jié)構(gòu)形式，其分子形式與單晶體的石英材料不同。這種材料具有電疇結(jié)構(gòu)形式，其分子形式呈雙極型，具有一定的極化方向。呈雙極型，具有一定的極化方向。yxyxyFlldq11（3.5-5） 鈦酸鋇陶瓷未受外加電場極化時：鈦酸鋇晶鈦酸

6、鋇陶瓷未受外加電場極化時：鈦酸鋇晶體單元在體單元在120C以下時形狀呈立方體。在無外電以下時形狀呈立方體。在無外電場作用時，各電疇的極化效應(yīng)相互被抵消，因此場作用時，各電疇的極化效應(yīng)相互被抵消，因此材料并不顯示壓電效應(yīng)。材料并不顯示壓電效應(yīng)。 鈦酸鋇材料置于強電場中：電疇極化方向趨鈦酸鋇材料置于強電場中：電疇極化方向趨向于按該外加電場的方向排列，材料得到極化。向于按該外加電場的方向排列，材料得到極化。撤去外電場之后，陶瓷材料內(nèi)部仍存在有很強的撤去外電場之后，陶瓷材料內(nèi)部仍存在有很強的剩余極化程度，束縛住晶體表面產(chǎn)生的自由電荷。剩余極化程度，束縛住晶體表面產(chǎn)生的自由電荷。在外力作用下，剩余極化強

7、度因電疇界限的進一在外力作用下，剩余極化強度因電疇界限的進一步移動而引起變化，從而使晶體表面上的部分自步移動而引起變化，從而使晶體表面上的部分自由電荷被釋放，形成壓電效應(yīng)。由電荷被釋放，形成壓電效應(yīng)。圖3.5-2 鈦酸鋇壓電陶瓷電疇結(jié)構(gòu)（a）未極化（b）已極化 3 壓電傳感器的傳感原理壓電傳感器的傳感原理 （1）壓電傳感器可視為一個電荷發(fā)生器，也是一個電容器，其形成的）壓電傳感器可視為一個電荷發(fā)生器，也是一個電容器，其形成的電容量電容量 Ac0圖 3.5-3 壓電晶片及等效電路（a）壓電晶片 （b）并聯(lián) （c）串聯(lián) （d）等效電荷源 （3.4-6） （2）壓電傳感器可被視為一個電荷源：）壓電傳

8、感器可被視為一個電荷源：等效電路中電容器上的開路電壓等效電路中電容器上的開路電壓ea、電容量電容量q以及電容以及電容Ca三者間的關(guān)系有三者間的關(guān)系有 aaCqe壓電傳感器可被視為一個電壓源：壓電傳感器可被視為一個電壓源：圖3.5-4 壓電傳感器的等效電路（a ）電荷源 （b）電壓源 （3.5-7） 壓電傳感器實際的等效電路壓電傳感器實際的等效電路 ： 若將壓電傳感器接入測量電路，則必須考慮電纜電容若將壓電傳感器接入測量電路，則必須考慮電纜電容CC、后、后續(xù)電路的輸入阻抗續(xù)電路的輸入阻抗Ri、輸入電容、輸入電容Ci、以及壓電傳感器的漏電阻、以及壓電傳感器的漏電阻Ra，此時壓電傳感器的等效電路如圖

9、此時壓電傳感器的等效電路如圖3.5-5 所示。所示。 圖3.5-5 壓電傳感器實際的等效電路（a）電荷源 （b）電壓源 式中式中xm為絕對位移。為絕對位移。 化為標(biāo)準(zhǔn)形式：化為標(biāo)準(zhǔn)形式： 4 壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用 （1）壓電加速度傳感器）壓電加速度傳感器 被測對象的振動為被測對象的振動為 xi，質(zhì)量，質(zhì)量m相對于底座的振動為相對于底座的振動為x0 ，根據(jù)，根據(jù)牛頓運動定律有：牛頓運動定律有：)()(000 xxmxmxCkxim innxxxx 0202式中式中 ,mknkmC2（3.5-9）（3.5-8）圖 3.5-6 設(shè)輸入振動為設(shè)輸入振動為 tXxiicos則輸入與輸出間的關(guān)

10、系為則輸入與輸出間的關(guān)系為)()(1/2)/(/)()()(222jXjXjjjjXjXionnnio圖 3.5-7 慣性式傳感器頻率相應(yīng)特性（a）幅頻特性 （b）相頻特性 （3.5-10） 若結(jié)構(gòu)的輸入為加速度若結(jié)構(gòu)的輸入為加速度 ，則由式（，則由式（3.4-10）變換可得：）變換可得：ix 1/2/)()()()()()(222nnnioiojjKjXjXjXjjX 圖 3.5-8 加速度計特性曲線（a）幅頻特性曲線 （b）相頻特性曲線 （3.5-11） 分析結(jié)論：分析結(jié)論：（1）慣性式加速度傳感器的工作頻段是在）慣性式加速度傳感器的工作頻段是在/n=01之間的平之間的平坦坦 段；在該平坦

11、段內(nèi)，振動位移段；在該平坦段內(nèi)，振動位移xo正比于被測加速度。正比于被測加速度。 （2）當(dāng)）當(dāng)/n=0時，幅值為時，幅值為1。 （3）加速度計慣性接收具有零頻率響應(yīng)的特征。）加速度計慣性接收具有零頻率響應(yīng)的特征。（4）如果傳感器的機電轉(zhuǎn)換部分和測量電路也具有零頻率響）如果傳感器的機電轉(zhuǎn)換部分和測量電路也具有零頻率響應(yīng)特應(yīng)特 性，則所構(gòu)成的整個測量系統(tǒng)也將具有零頻率響應(yīng)，可性，則所構(gòu)成的整個測量系統(tǒng)也將具有零頻率響應(yīng)，可用于用于 測量甚低頻的振動和恒加速度運動。測量甚低頻的振動和恒加速度運動。 5 逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng) 當(dāng)施加電壓時，會使壓電片產(chǎn)生伸縮從而導(dǎo)致壓電片幾何尺當(dāng)施加電壓時，會使壓電片產(chǎn)生伸縮從而導(dǎo)致壓電片幾何尺寸的改變。寸的改變。 應(yīng)用：應(yīng)用： 壓電致動器：例如施加一高頻交變電壓，則可將壓電體壓電