壓電原理及材料

第五章壓電傳感器

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時發(fā)現(xiàn)的。在測量中，被測動態(tài)力和動態(tài)壓力通過壓電傳感器變化轉(zhuǎn)換為電荷量的變化，再經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為輸出電壓。壓電傳感器是屬于自發(fā)電型傳感器。2/7/20231在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗淡的藍色閃光，這是強電場放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生閃光的機理是晶體的壓電效應(yīng)。小實驗2/7/20232第一節(jié)壓電傳感器的工作原理

壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電式傳感器主要用途：壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)（例如重量）的測量。2/7/20233壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器；壓電效應(yīng)具有可逆性，也是一種典型的“雙向傳感器”；壓電式傳感器的特點:工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，工作可靠。壓電效應(yīng)最貼近生活的應(yīng)用：燃氣灶與打火機2/7/20234一、壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為：“壓電效應(yīng)”。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會產(chǎn)生機械變形。當(dāng)去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。2/7/20235自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多，例如在敦煌的鳴沙丘上，當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙丘上往下滑時，可以聽到雷鳴般的隆隆聲。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是無數(shù)干燥的沙子（SiO2晶體）在振動壓力下，表面產(chǎn)生電荷，在某些時刻，恰好形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓，并通過空氣放電而發(fā)出聲音。與此相反，在音樂賀卡中是利用集成電路的輸出脈沖電壓，來激勵壓電片，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動而發(fā)聲的。小知識2/7/20236清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙的“雷送余音聲裊裊，風(fēng)生細響語喁喁”。2/7/20237石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。2/7/20238二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。2/7/20239（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形六角形晶柱2/7/202310天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

2/7/202311石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2/7/202312石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振2/7/202313石英晶體的特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。下圖是一個單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個正六邊形排列。定性分析：當(dāng)石英晶體未受外力作用時，正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個互成120°夾角的電偶極矩，且三個電偶極矩的矢量和為0。2/7/202314在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，在x方向所產(chǎn)生的電荷qx與作用力Fx成正比，即

qx=d11Fx式中，d11-壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時，壓電系數(shù)也不同，石英晶體的d11=2.31*10-12C/Nqx--垂直于X軸的平面上的電荷Fx-沿X軸方向施加的作用力晶體受到x方向的壓力Fx作用，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象；2/7/202315由上述公式我們看到：電荷qx的符號表示受壓力還是受拉力切片上產(chǎn)生的電荷多少與切片的尺寸無關(guān)，即qx與Fx成正比晶片電荷極性與受力關(guān)系極間電壓qx=d11Fx2/7/202316若在同一切片上,沿機械軸y方向施加作用力Fy,則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy,其大小為

qy=d12(L/a)Fy式中，d12---y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對稱性,有d12=-d11；qy---垂直于x軸平面上的電荷Fy---沿y軸方向施加的作用力L、a-晶體切片的長度、厚度2/7/202317由上述公式我們看到：沿機械軸y方向作用力在晶體表面產(chǎn)生的電荷與晶體切片的尺寸有關(guān)；沿y軸作用力所產(chǎn)生的電荷極性與沿x軸作用力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。qy=d12(L/a)Fy2/7/202318當(dāng)石英晶體沿z軸方向作用力時，由于晶體沿x軸方向和y軸方向產(chǎn)生同樣的變形，因此沿z軸方向施加作用力時，石英晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即d13=02/7/202319（二）壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。2/7/202320壓電陶瓷的極化過程2/7/202321壓電陶瓷外形

2/7/202322無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2/7/202323（三）高分子壓電材料典型的高分子壓電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。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度；價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。2/7/202324高分子壓電薄膜及拉制2/7/202325高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2/7/202326可用于波形分析及報警的高分子壓電踏腳板

2/7/202327壓電式腳踏報警器

2/7/202328高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）2/7/202329壓電材料的特性：（1）壓電系數(shù)：是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，與壓電輸出靈敏度有關(guān)。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電元件的固有頻率和動態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量與輸入能量之比的平方根，是衡量壓電材料機械能—電能轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。（5）電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點溫度：是指壓電材料喪失壓電特性的溫度。表5-22/7/202330壓電晶片的連接方式以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的壓電傳感器是一種具有高內(nèi)阻而輸出信號又很弱的有源傳感器。在進行非電量測量時，為了提高靈敏度和測量精度，一般采取多片壓電材料組成一個壓電敏感元件，并接入高輸入阻抗的前置放大器。壓電晶片的連接方式多片壓電材料的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。2/7/202331第二節(jié)壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

等效電路：壓電器件從功能上講，是一個電荷發(fā)生器；壓電器件從性質(zhì)上講，是一個有源電容器。2/7/202332根據(jù)壓電片的串并聯(lián)，其等效電路為電壓源和電荷源電壓源電荷源實際電荷源在進行非電量測量時，為了提高靈敏度和測量精度，一般采取多片壓電材料組成一個壓電敏感元件，并接入高輸入阻抗的前置放大器。2/7/202333并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量很小，達到pA級電流。因此在接成電荷輸出型測量電路時，也要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且還需要有極高的輸入阻抗。2/7/202334電荷源測量電路（電荷放大器）2/7/202335壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長度等因素的影響很小：電荷放大器能將壓電傳感器輸出的電荷轉(zhuǎn)換為電壓（q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。2/7/202336四通道電荷放大器外形.2/7/202337上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計算機或手動焊接式電荷放大器2/7/202338超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)