第六章壓電式傳感器

第六章壓電式傳感器1第一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一

概述

壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。

當(dāng)某些材料受力作用而變形時，其表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。第二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一FF＋＋＋＋＋＋－－－－－－1壓電效應(yīng)

某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。一電壓效應(yīng)與壓電材料第一節(jié)壓電式傳感器

當(dāng)作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。

這種機械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象，稱為“順壓電效應(yīng)”。第三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一第四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力；當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)電能機械能正壓電效應(yīng)第五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一第六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一2壓電材料簡介壓電材料可以分為兩大類：壓電晶體和壓電陶瓷。前者為晶體，后者為極化處理的多晶體。他們都具有較大的壓電常數(shù)，機械性能良好，時間穩(wěn)定性好，溫度穩(wěn)定性好等特性，所以是較理想的壓電材料。第七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一二石英晶體的壓電效應(yīng)ZXY縱向軸Z稱為光軸經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X軸稱為電軸與X軸和Z軸同時垂直的Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸

天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形是一個正六面體。石英晶體各個方向的特性是不同的。第八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一(a)晶體外形；

(b)切割方向；

(c)晶片

第九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。如圖所示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。圖中“＋”代表硅離子Si4+，“－”代表氧離子2O2-。(a)xy(b)+xy++---1、石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)原理第十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一當(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P1、P2、P3。因為P=qL（q為電荷量，L為正負電荷之間的距離），此時正負電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。xy+P1P2P3--++-第十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力時，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負離子的相對位置隨之發(fā)生變化。此時正、負電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們在x方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0在y、z方向上的分量為:

(P1+P2+P3)y=0

(P1+P2+P3)z

=0

++++－－－－XY+++---P1P2P3FXFX在x軸的正向出現(xiàn)正電荷，在y、z方向不出現(xiàn)電荷。第十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一晶體受到沿x方向的拉力P1增大，P2、P3減小

(P1+P2+P3)x<0在x軸的正向出現(xiàn)負電荷，在y、z方向不出現(xiàn)電荷。(P1+P2+P3)y=0

(P1+P2+P3)z

=0Y+++--X-P2P3P1+++－－－+－FXFX

這種沿X軸施加力，而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象即為縱向壓電效應(yīng)。第十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一第十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一++++－－－－XY+++---P1P2P3FYFY晶體受到沿Y方向的拉力與X方向壓力相同(P1+P2+P3)x>0在x軸的正向出現(xiàn)正電荷，在y、z方向不出現(xiàn)電荷。第十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一Y+++--X-P2P3P1+++－－－+－FYFY晶體受到沿Y方向的壓力與X方向拉力相同(P1+P2+P3)x<0在x軸的正向出現(xiàn)負電荷，在y、z方向不出現(xiàn)電荷。

這種沿Y軸施加力，而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象即為橫向壓電效應(yīng)。第十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一第十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一第十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一Y+++---XP1P2P3受Z軸力:晶體沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。在沿z(即光軸)方向的力Fz作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一為作用力。2、縱向壓電效應(yīng)xazybcFXFX++++－－－－－－－－++++XX為x方向受力的壓電系數(shù)；為產(chǎn)生的電荷第二十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一3、橫向壓電效應(yīng)++++－－－－++++－－－－FYXFYX為作用力。為y方向受力的壓電系數(shù)為產(chǎn)生的電荷xazybc因石英軸對稱,a：厚度b：寬度第二十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一

①當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無關(guān)；②沿機械軸y方向向晶片施加壓力時，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)；

④晶體在哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；

⑤無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間皆呈線性關(guān)系。結(jié)論：第二十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一三壓電陶瓷的壓電特性無外電場作用時總極化強度為零外電場去掉后具剩余極化強度人造多晶體：經(jīng)極化處理后的人造多晶體施加外電場時電疇自發(fā)極化方向與外電場一致第二十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極＋＋＋＋＋極化方向無外力作用時電壓表不能測出陶瓷片內(nèi)的極化程度束縛電荷會吸附自由電荷陶瓷片對外不表現(xiàn)極性第二十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。d33:壓電陶瓷壓電系數(shù)F：作用力加外力＋＋＋＋＋－－－－－＋＋＋＋

＋極化方向F電疇偏轉(zhuǎn)，極化強度變小，自由電荷釋放－－－－－＋＋－－第二十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一第二十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一逆壓電效應(yīng)：由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象。－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場方向Ｅ第二十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一第二十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一四壓電材料①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。②機械性能。機械強度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。④環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。壓電材料具備主要特性：指壓電材料開始喪失壓電特性的溫度。返回第二十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一1、石英晶體石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好。在20℃～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當(dāng)?shù)?73℃時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。斜率：－0.016％/℃1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20t℃石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性第三十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一

優(yōu)點：

性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當(dāng)好。

缺點：價格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。

切割：

各向異性晶體，按不同方向切割，物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。

組成：

天然和人工培養(yǎng)兩種類型。因其物理和化學(xué)性質(zhì)幾乎沒有區(qū)別，廣泛應(yīng)用成本較低的人造石英晶體。第三十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一天然形成的石英晶體外形第三十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一人工合成水晶雙面鍍銀并封裝壓電晶片石英晶體薄片石英晶體切片及封裝第三十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一

⑴鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。它具有較大的壓電系數(shù)約為石英晶體的50倍。不足之處是居里溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。2、壓電陶瓷第三十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一

⑵

鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）

鋯鈦酸鉛與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里溫度在300℃以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。

第三十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一第三十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一壓電陶瓷外形超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用B超換能器用晶片第三十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一1.壓電晶片的連接方式四壓電傳感器等效電路

由于外力作用而使壓電材料上產(chǎn)生電荷，該電荷只有在無泄漏的情況下才會長期保存，因此需要測量電路具有無限大的輸入阻抗，而實際上這是不可能的。所以壓電傳感器不宜作靜態(tài)測量，只能在其上加交變力，電荷才能不斷得到補充，可以供給測量電路—定的電流，故壓電傳感器只宜作動態(tài)測量。第三十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一在實際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。第三十九頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一并聯(lián)連接+++------++++-并聯(lián)接法輸出電荷大，本身電容大，時間常數(shù)大，適宜用在測量慢變信號并且以電荷作為輸出量的場合。第四十頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一串聯(lián)連接+++------+++-+串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于測量電壓作輸出信號和快變化信號的場合。返回第四十一頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一2、壓電傳感器的等效電路由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器，晶體上聚集等量的正負電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)，則其電容量為:

A——壓電片的面積；d——壓電片的厚度；ε——壓電材料介電常數(shù)。第四十二頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一＋＋＋＋――――q電極壓電晶體qCe靜電發(fā)生器電容器第四十三頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一

壓電傳感器可等效為電壓源Ua和一個電容器Ce的串聯(lián)電路，如圖(a)；也可等效為一個電荷源q和一個電容器Ce的并聯(lián)電路，如圖(b)。（a）電壓等效電路CeU＝q/Ceq＝UCeCe（b）電荷等效電路第四十四頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一Cc：連接電纜等效電容Ri：放大器輸入電阻Ci：放大器輸入電容Rd：傳感器泄漏電阻實際等效電路第四十五頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一3、壓電傳感器的測量電路

壓電傳感器本身的內(nèi)阻抗很高(大于1010歐姆），輸出能量較小，給后續(xù)測量電路（放大電路）提出很高要求。為了保證壓電傳感器的測量誤差較小，它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器，其作用為：一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗；二是放大傳感器輸出的微弱信號。壓電傳感器的輸出可以是電壓信號，也可以是電荷信號，因此前置放大器也有兩種形式：電壓放大器和電荷放大器。第四十六頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一電壓放大器～～若壓電元件材料受正弦力作用，則產(chǎn)生的電壓值為Fm—作用力的幅值—電壓幅值壓電系數(shù)第四十七頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期一可得放大器輸入端的電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為～～第四十八頁，共五十五頁，編輯于2023年，星期