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1、第六章 压电传感器 压压电电式式传传感感器器是是以以某某些些物物质质的的压压电电效效应应制制作作的的一一种种传传感感器器。当当材材料料受受力力作作用用变变形形时时，其其表表面面会会有有电电荷荷产产生生，从从而而实实现非电量测量。现非电量测量。压压电电式式传传感感器器是是一一种种典典型型的的有有源源传传感感器器（发发电电型型传传感感器器）。压电传感元件是压电传感元件是力敏感元件力敏感元件，它可以测量最终能变换为，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于等，但不能用于静态参数的静态参数的测量。测量。
2、压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。定性高。第一节 压电式传感器的工作原理一、压电效应一、压电效应 二、压电材料二、压电材料三、压电机理三、压电机理 一、压电效应演示一、压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。态力时，电荷将由于表面漏电而
3、很快泄漏、消失。压电效应压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为去掉后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“压电压电效应效应”。在电介质的极化方向上施加在电介质的极化方向上施加交变电场或电压交变电场或电压，它会产，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形也随之消失，生机械变形，当去掉外加电场时，电介质变形也随之消失，这种现象称为这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”（电致伸缩效应）
4、（电致伸缩效应）。压电材料压电材料Q(E)电能电能正压电效应（正压电效应（传感器传感器）T(S)机械能机械能逆压电效应（逆压电效应（执行器执行器）二、压电材料 具有压电效应的具有压电效应的电介物质电介物质称为压电材料。称为压电材料。在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应都十分微弱。数晶体的压电效应都十分微弱。石英晶体及钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能石英晶体及钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。优良的压电材料。l 压电晶体（单晶压电晶体（单晶）：它包括压电：它包括压电石英石英晶体和其它压电单晶；晶体和其它
5、压电单晶；l 压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体；压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体；l 新型压电材料：有压电新型压电材料：有压电半导体半导体和和有机高分子有机高分子压电材料两种。压电材料两种。目前普遍应用的是压电单晶中的目前普遍应用的是压电单晶中的石英晶体石英晶体和和压电陶瓷压电陶瓷中的钛酸中的钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。压电晶体压电晶体 压电陶瓷压电陶瓷 新型压电材料新型压电材料 压电材料可以分为三大类 压电晶体 石英晶体：石英晶体：俗称水晶，化学成分为俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。，有天然和
6、人工之分。目前传感器中使用的均是以目前传感器中使用的均是以居里点为居里点为573、晶体结构为、晶体结构为六角晶六角晶系系的的石英。石英。石英晶体的外形石英晶体的外形（a）天然石英晶体；（天然石英晶体；（b）人工石英晶体；（人工石英晶体；（c）右旋石英晶体的理想外形右旋石英晶体的理想外形m柱面柱面 R大棱面大棱面 r小棱面小棱面 s棱界面棱界面 x棱角面棱角面石英晶体振荡器（晶振）石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡石英晶体在振荡电路中工作时，压电电路中工作时，压电效应与逆压电效应交效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。定的振荡输出频率。晶振晶振.压压电电常常数
7、数小小（压压电电系系数数d112.3110-12CN），其其时时间间和和温温度度稳稳定定性性极极好好，常常温温下下几几乎乎不不变变，在在20200内内其其温温度度变变化化率率约约为为2.15 10 6/；.机械强度和品质因数高，固有频率高且十分稳定，动态特性好；机械强度和品质因数高，固有频率高且十分稳定，动态特性好；.居里点居里点573，无热释电性无热释电性，且绝缘性、重复性均好。，且绝缘性、重复性均好。所以石英是制备压电传感器的理想压电材料。所以石英是制备压电传感器的理想压电材料。天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高
8、的场合和制作标准传感器。的场合和制作标准传感器。除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。例如酒石酸钾钠单斜晶系。例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O64H2O）、酒石酸乙烯二酒石酸乙烯二铵铵（C6H4N2O6）等，还有正方晶系如磷酸二氢钾等，还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷磷酸二氢氨酸二氢氨（NH 4H2PO4）等等等等。石英晶体的主要性能特点：石英晶体的主要性能特点：压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷属于压电陶瓷属于铁电体物质铁电体物质，是人工制造的多晶压电材料，它由无，是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的电
9、畴组成。数细微的电畴组成。常用的压电陶瓷有钛酸钡（常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（）、锆钛酸铅（PbTiO3PbZrO3）（）（PZT）、铌酸盐系压电陶瓷。它们的）、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高压电常数比石英晶体高，如钛，如钛酸钡压电系数酸钡压电系数 d3319010-12 CN，但，但介电常数、机械性能不如石英介电常数、机械性能不如石英好好。压电陶瓷具有明显的热释电效应。压电陶瓷具有明显的热释电效应。热释电效应热释电效应：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化（压电效应）之外，还可由于温度变化而产生电极化。（
10、压电效应）之外，还可由于温度变化而产生电极化。用热释电系数来表示该效应的强弱，它是指温度每变化用热释电系数来表示该效应的强弱，它是指温度每变化1时，时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为 C/（m2g）。）。常用的压电陶瓷材料主要有以下几种：常用的压电陶瓷材料主要有以下几种：1）钛酸钡（）钛酸钡（BaTiO3）具有较高的压电常数（）具有较高的压电常数（d=19010-12C/N)和相对和相对介电常数（介电常数（10005000）。但它的）。但它的居里点居里点较低（约较低（约120），机械），机械强度也较低，现已不常用。强度也较低，现已不
11、常用。2）锆钛酸钡系列压电陶瓷（）锆钛酸钡系列压电陶瓷（PZT）由钛酸铅和锆酸铅组成的固体熔）由钛酸铅和锆酸铅组成的固体熔体。它有较高的压电常数体。它有较高的压电常数d=（200500）10-12C/N和居里点和居里点（500 左右），是左右），是目前经常采用的一种压电材料目前经常采用的一种压电材料。3）铌镁酸铅压电陶瓷（）铌镁酸铅压电陶瓷（PMN），具有较高的压电常数），具有较高的压电常数d=（800900）10-12C/N和居里点（和居里点（260）它能在压力大致）它能在压力大致70MPa时正常工作，因此可以作为时正常工作，因此可以作为高压下高压下的力传感器。目前还有的力传感器。目前还有一
12、些铌酸盐具有很高的居里点，可以作为高温压电传感器。一些铌酸盐具有很高的居里点，可以作为高温压电传感器。压电陶瓷外形压电陶瓷外形 无铅压电陶瓷及其换能器外形无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制）上海硅酸盐研究所研制）新型压电材料新型压电材料 压电半导体压电半导体 1963年以来出现了多种压电半导体，如硫化锌（年以来出现了多种压电半导体，如硫化锌（ZnS）、碲）、碲化镉（化镉（CdTe）、氧化锌（）、氧化锌（ZnO）、硫化镉（）、硫化镉（CdS）、碲化锌）、碲化锌（ZnTe）和砷化镓（）和砷化镓（GaAs）等。）等。v 这些材料的显著特点是这些材料的显著特点是即有压电特性，又具有半导
13、体特性即有压电特性，又具有半导体特性。因此，即可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制因此，即可用其压电性研制传感器，又可用其半导体性制作电子器件；也可以二者结合，集元件与线路于一体，研制成作电子器件；也可以二者结合，集元件与线路于一体，研制成新型压电集成传感器测试系统。新型压电集成传感器测试系统。高分子压电材料高分子压电材料 典典型型的的高高分分子子压压电电材材料料有有聚聚偏偏二二氟氟乙乙烯烯（PVF2或或PVDF）、聚氟乙烯（聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（）、改性聚氯乙烯（PVC）等。）等。其其中中以以PVF2和和PVDF的的压压电电常常数数最最高高。有有的的材材料料可可比比压压电电
14、陶陶瓷瓷高高几几十十倍倍。其其输输出出脉脉冲冲电电压压高高到到可可以以直直接接驱驱动动CMOS集集成成门电路。门电路。高高分分子子压压电电材材料料是是一一种种柔柔软软的的压压电电材材料料，可可根根据据需需要要制制成成薄薄膜膜或或电电缆缆套套管管等等形形状状。经经过过极极化化处处理理后后就就显显现现出出压压电电特特性性。它它不不易易破破碎碎，具具有有防防水水性性，可可以以大大量量连连续续拉拉制制，制制成成较较大大面面积积或或较较长长的的尺尺度度，价价格格便便宜宜；频频率率响响应应范范围围较较宽宽，可可以以从从0.1Hz直至直至109Hz，测量动态范围可达，测量动态范围可达80dB。因因此此在在一
15、一些些不不要要求求测测量量精精度度的的场场合合，例例如如水水声声测测量量、防防盗盗、振振动动测测量量等等领领域域中中获获得得应应用用。它它的的声声阻阻抗抗约约为为0.02MPa/s，与与空空气气的的声声阻阻抗抗有有较较好好的的匹匹配配，因因而而是是很很有有希希望望的的电电声声材材料料。例例如如在在它它的的两两侧侧面面施施加加高高电电压压音音频频信信号号时时，可可以以制制成成特特大大口口径径的的壁壁挂挂式式低低音喇叭。音喇叭。高高分分子子压压电电材材料料的的工工作作温温度度一一般般低低于于100。温温度度升升高高时时，灵灵敏敏度度将将降降低低。它它的的机机械械强强度度不不够够高高，耐耐紫外线能力
16、较差，不宜暴晒，以免老化。紫外线能力较差，不宜暴晒，以免老化。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器 高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）（逆压电效应）压电材料的压电特性常用压电方程来描述：压电材料的压电特性常用压电方程来描述：qi=dij j 或或 Q=dij F dij 压电常数（压电常数（CN），（），（i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6）；）；q 电荷的表面密度（电荷的表面密度（Ccm2），），单位面积上的作用力，即应力（单位面积上的作用力，即应力（Ncm2）；）；Q 总电荷量（总电
17、荷量（C），），F 作用力作用力（N）。i 晶体的晶体的极化方向极化方向。当产生电荷的表面垂于。当产生电荷的表面垂于x 轴（轴（y 轴或轴或z 轴）时，记为轴）时，记为i=1（2 或或3）。）。j=1，2，3，4，5，6分别表示沿分别表示沿 x 轴、轴、y 轴、轴、z 轴方向的轴方向的单向应力单向应力和在垂直于和在垂直于 x 轴、轴、y 轴、轴、z 轴的平面轴的平面（即（即 yz 平面、平面、zx 平面、平面、xy 平面）内作用的平面）内作用的剪切力剪切力。三、压电机理三、压电机理 单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右螺旋
18、定则确定。图中表示了它们的方向。另外，还需符号用右螺旋定则确定。图中表示了它们的方向。另外，还需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定定 dij 的符号。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。的符号。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。压电材料的压电特性可用它的压电常数矩阵表示：压电材料的压电特性可用它的压电常数矩阵表示：1.1.石英晶体的压电机理石英晶体的压电机理 石英晶体是单晶体结构，属六角晶系，其形状石英晶体是单晶体结构，属六角晶系，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。共有为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。
19、共有30个晶面，个晶面，其中六个其中六个m 面（或称柱面），六个面（或称柱面），六个R 面（或称大棱面（或称大棱面），六个面），六个 r 面（或称小棱面），还有六个面（或称小棱面），还有六个 s 面面（棱界面）和六个（棱界面）和六个 x 面（棱角面）。面（棱角面）。天然和人造石英的外形虽有不同，但是两个晶天然和人造石英的外形虽有不同，但是两个晶面之间的夹角是相同的。面之间的夹角是相同的。石英晶体各个方向的特性是不同的石英晶体各个方向的特性是不同的。图图6-1表表示示了了天天然然结结构构的的石石英英晶晶体体外外形形，它它是是六六角角形形晶晶柱柱，在在晶晶体体学学中中可可以以用用三三根根相相互互垂
20、垂直直的的轴轴来来表表示示。石石英英晶晶体体各各个个方方向向的的特特性性是是不不同同的的，其其中中纵纵向向轴轴z称称为为光光轴轴，经经过过六六面面体体棱棱线线并并垂垂直直于于光轴的光轴的x称为称为电轴电轴，与，与x和和z轴同时垂直的轴轴同时垂直的轴y称为称为机械轴机械轴。图图6-1 石英晶体石英晶体(a)晶体外形；晶体外形；(b)切割方向；切割方向；(c)晶片晶片 可以用可以用金刚石刀具金刚石刀具沿与沿与z轴垂直的方向，从图轴垂直的方向，从图6-1a所示的石英所示的石英晶体上切割出一块正平行六面体的切片，如图晶体上切割出一块正平行六面体的切片，如图6-1b所示，在所示，在进一步从该六面体上切割
21、出正方形薄片，如图进一步从该六面体上切割出正方形薄片，如图6-1c所示，这所示，这就是工业中常用的石英晶片。通常把垂直于就是工业中常用的石英晶片。通常把垂直于x轴的表面称为轴的表面称为x面面，把垂直于，把垂直于y轴的表面称为轴的表面称为y面面。图图6-1 石英晶体石英晶体(a)晶体外形；晶体外形；(b)切割方向；切割方向；(c)晶片晶片 当晶体沿电轴（当晶体沿电轴（x轴）方向受到轴）方向受到压力压力时，晶格产生变形，硅离时，晶格产生变形，硅离子的正电荷中心上移，氧原子的负电荷中心下移，正负电荷中子的正电荷中心上移，氧原子的负电荷中心下移，正负电荷中心分离，在晶体的心分离，在晶体的x面的后表面产
22、生正电荷面的后表面产生正电荷，前表面出现负电，前表面出现负电荷而形成电场。反之如果沿荷而形成电场。反之如果沿x轴方向受到拉力作用时，情况恰轴方向受到拉力作用时，情况恰好相反，好相反，x面的后表面将产生负电荷面的后表面将产生负电荷，前表面产生正电荷。，前表面产生正电荷。如果受到的是交变力，则在如果受到的是交变力，则在x面的前后表面将产生交变电场。面的前后表面将产生交变电场。如果在如果在x面得前后表面上镀上银电极，就能测出所产生电荷的面得前后表面上镀上银电极，就能测出所产生电荷的大小。大小。同样，当晶体的机械轴（同样，当晶体的机械轴（y轴）方向受到轴）方向受到压力时，也产生晶格变形，硅离子的正压力
23、时，也产生晶格变形，硅离子的正电荷中心下移，氧原子的负电荷中心上电荷中心下移，氧原子的负电荷中心上移，在移，在x面的后表面面的后表面产生负电荷，前表面产生负电荷，前表面产生正电荷，这个过程恰好与产生正电荷，这个过程恰好与x轴方向受轴方向受压力时所产生的电场方向相反。压力时所产生的电场方向相反。图图6-3晶体切片上电荷极性与受力方向的关系晶体切片上电荷极性与受力方向的关系(a)X轴方向受压力；（轴方向受压力；（b）X轴方向受拉力；轴方向受拉力；(b)(c)Y轴方向受压力；轴方向受压力；(d)Y轴方向受拉力轴方向受拉力 从上述分析可知，无论沿从上述分析可知，无论沿x轴方向还是轴方向还是y轴方向施力
24、，轴方向施力，电电荷只产生在荷只产生在x面上面上。光轴（光轴（z轴）轴）方向受力时，由于晶格方向受力时，由于晶格变化不会引起正负电荷中心的分离，所以变化不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电不会产生压电效应效应。沿沿x轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象，轴晶面上产生电荷的现象，称为称为“纵向压电效应纵向压电效应”沿沿y轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于x轴的晶面上产生电荷的现象，轴的晶面上产生电荷的现象，称为称为“横向压电效应横向压电效应”。在在晶晶体体弹弹性性限限度度内内，在在电电轴轴（x轴轴）方方向向施施加加压压力力Fx时时，在在与电轴与电轴x垂直
25、的平面上将产生电荷，垂直的平面上将产生电荷，其大小为其大小为(6.1)式中式中,d11为为x方向受力的压电系数。方向受力的压电系数。若若在在同同一一切切片片上上，沿沿机机械械轴轴y方方向向施施加加压压力力Fy，则则仍仍在在与与x轴垂直的平面上产生电荷轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为，其大小为(6.2)式中：式中：d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，性，有有d12=-d11；a、b晶体切片的长度和厚度。晶体切片的长度和厚度。由式由式6.2可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷与
26、几何尺寸有关。荷与几何尺寸有关。电荷电荷qx和和qy的符号由受压力还是受拉力决定。的符号由受压力还是受拉力决定。压电陶瓷是人工多晶体（无数微细的单晶组成），压电陶瓷是人工多晶体（无数微细的单晶组成），它的压它的压电机理与石英晶体不同电机理与石英晶体不同。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极。压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴。极化处理以前，各电畴任意方向无序排列，自发极化的电畴。极化处理以前，各电畴任意方向无序排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。此时压电陶瓷呈电化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。此时压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。中性，不具有压电性质。未极化未极化 正在极
27、化正在极化 极化后极化后2.2.压电陶瓷的压电机理压电陶瓷的压电机理 在陶瓷上施加外电场（在陶瓷上施加外电场（2030kVcm）时，电畴自发极）时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，从而使材料得到极化，此化方向转到与外加电场方向一致，从而使材料得到极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。当（时压电陶瓷具有一定极化强度。当（23h后后）外电场撤销，）外电场撤销，各电畴的自发极化在各电畴的自发极化在一定程度一定程度上按原外加电场方向取向，陶上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零，存在瓷极化强度并不立即恢复到零，存在剩余极化强度剩余极化强度。同时陶。同时陶瓷片极化的瓷片极化的两端出现
28、束缚电荷两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负。由，一端为正，另一端为负。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端面很快吸附一层来于束缚电荷的作用，在陶瓷片的极化两端面很快吸附一层来自外界的自外界的自由电荷自由电荷，自由电荷与束缚电荷数值相等、极性相，自由电荷与束缚电荷数值相等、极性相反，因此反，因此陶瓷片对外不呈现极性陶瓷片对外不呈现极性。如如果果在在压压电电陶陶瓷瓷片片上上加加一一个个与与极极化化方方向向平平行行的的外外力力（压压力力），陶陶瓷瓷片片产产生生压压缩缩变变形形，片片内内的的束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离变变小小，电电踌踌发发生生偏偏转转，极极化化强强度度变变小小，束束缚缚电电
29、荷荷减减少少。因因此此吸吸附附在在其其表表面面的的自自由由电电荷荷，有一部分被释放而呈现有一部分被释放而呈现放电放电现象。现象。当当撤撤销销压压力力时时，陶陶瓷瓷片片恢恢复复原原状状，片片内内的的束束缚缚电电荷荷之之间间距距离离变变大，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现大，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电充电现象。现象。这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为这种因受力而产生的机械效应转变为电效应，将机械能转变为电能，就是压电陶瓷的正压电效应。电能，就是压电陶瓷的正压电效应。放电电荷的多少与外力成正比例关系。即放电电荷的多少与外力成正比例关系。即 式中式
30、中 d33 压电陶瓷的压电系数；压电陶瓷的压电系数；F F 作用力。作用力。主要特性：主要特性：（1）机机-电转换性能：应具有较大的压电常数电转换性能：应具有较大的压电常数 d。（2）机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高，机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高，刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。（3）电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响和减小电荷泄漏并获得良好的低频特性。弱外部分布电容的影响和减小电荷泄漏并获得良好的低频特性。（4）温度
31、和湿度稳定性良好，具有较高的居里点，以期得到温度和湿度稳定性良好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围。较宽的工作温度范围。（5）时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。居里点：居里点：压电材料压电材料开始丧失压电性开始丧失压电性的的温度温度。1880年法国物理学家年法国物理学家P.居里和居里和J.居里兄弟发现了压电效应。居里兄弟发现了压电效应。第二节 压电材料的主要特性 当当压压电电晶晶体体片片受受力力时时，在在晶晶体体片片的的两两表表面面上上聚聚集集等等量量的的正正、负负电电荷荷，晶晶体体片片的的两两表表面面相相当当于于一一个个电电容容器器的的两两个个极
32、极板板，两两极极板板间间的的物物质质等等效效于于一一种种介介质质，因因此此压压电电传传感感器器可可以以看看做做一一个个电电荷荷发发生生器器，同同时时也也是一个电容器。其电容量为是一个电容器。其电容量为 S极板面积（压电片面积）；极板面积（压电片面积）；h 压电片厚度；压电片厚度；r压电材料的相对介电常数；压电材料的相对介电常数；0 真空介电常数。真空介电常数。一、压电式传感器的等效电路第三节 压电式传感器的信号调理电路 对此式可用两种电路来等效压电式传感器：对此式可用两种电路来等效压电式传感器：v 电压等效电路：电压等效电路：一个电压源与一个电容一个电压源与一个电容Ca串串联构成，此电路输出为
33、联构成，此电路输出为 电压源电压源 两极板间的开路电压为两极板间的开路电压为 只只有有在在外外电电路路负负载载无无穷穷大大，且且内内部部无无漏漏电电时时，受受力力产产生生的的电电压压U才才能能长长期期保保持持不不变变；如如果果负负载载不不是是无无穷穷大大，则则电电路路就就要要以以时时间间常常数数RLCa按指数规律放电。按指数规律放电。v 电荷等效电路：电荷等效电路：电荷源与一个电容电荷源与一个电容Ca并并联构成，此电路输出为联构成，此电路输出为 此时，该电路被视为一个电荷发生器。此时，该电路被视为一个电荷发生器。电荷源电荷源 压电传感器在实际使用时要与压电传感器在实际使用时要与测量仪器或测量仪
34、器或测量电路测量电路相连接，因此还必相连接，因此还必须考虑连接电缆的等效电容须考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器的输入电阻，放大器的输入电阻Ri 和输入电容和输入电容Ci，以及以及压电式传感器的泄漏电阻压电式传感器的泄漏电阻Ra，这样压电式传感器在测量系统中的等效电路这样压电式传感器在测量系统中的等效电路就应如图所示。就应如图所示。压电式传感器的灵敏度有两种表示方式：压电式传感器的灵敏度有两种表示方式：电压灵敏度电压灵敏度：Ku=UF，它表示单位力所产生的电压；它表示单位力所产生的电压；电荷灵敏度电荷灵敏度：Kq=QF，它表示单位力所产生的电荷。它表示单位力所产生的电荷。它们之间的关系是它们之
35、间的关系是电压源等效电路电压源等效电路 电荷源等效电路电荷源等效电路 二、压电元件常用的结构形式 由由于于外外力力作作用用而而使使压压电电材材料料上上产产生生电电荷荷，该该电电荷荷只只有有在在无无泄泄漏漏的的情情况况下下才才会会长长期期保保存存，因因此此需需要要测测量量电电路路具具有有无无限限大大的的输输入入阻阻抗抗，而实际上这是不可能的。所以压电而实际上这是不可能的。所以压电传感器传感器不宜作静态测量不宜作静态测量，只能在其上加，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感供给测量电路一定的电流，故压电传感器器只宜作动态测
36、量只宜作动态测量。要使单压电晶片表面产生足够的表要使单压电晶片表面产生足够的表面电荷需要很大的作用力，所以在实际面电荷需要很大的作用力，所以在实际使用中常把两片或两片以上的压电片组使用中常把两片或两片以上的压电片组合在一起。图中是几种结构原理图。合在一起。图中是几种结构原理图。叠层式压电组件结构形式叠层式压电组件结构形式 制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此接法有并联和晶片粘贴在一起使用。由于压电晶片有电荷极性，因此接法有并联和串联两种。串联两种。（a）并联）并联 （b）
37、串联）串联 并联连接式压电传感器的输出电容和极板上的电荷分别为单块并联连接式压电传感器的输出电容和极板上的电荷分别为单块晶体片的晶体片的2倍，而输出电压与单片上的电压相等。即倍，而输出电压与单片上的电压相等。即 串联时，输出总电荷串联时，输出总电荷Q 等于单片上的电荷，输出电压为单片等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的电压的2倍，总电容应为单片的倍，总电容应为单片的1/2。即。即 压电片的连接方式三、压电式传感器的信号调理电路 压压电电元元件件实实际际上上可可以以等等效效为为一一个个电电容容器器，因因此此，它它也也存存在在着着与与电电容容传传感感器器相相同同的的问问题题，即即具具有有高高内内
38、阻阻（Ra1010）和和小小功功率率的的问问题题，对于这些问题可以使用转换电路来解决。对于这些问题可以使用转换电路来解决。为为了了保保证证压压电电传传感感器器的的测测量量误误差差小小到到一一定定程程度度，则则要要求求负负载载电电阻阻RL 要要大大到到一一定定数数值值，才才能能使使晶晶体体片片上上的的漏漏电电流流相相应应变变小小，因因此此在在压压电电传传感感器器输输出出端端要要接接入入一一个个输输入入阻阻抗抗很很高高的的前前置置放放大大器器，然然后后再再接接入入一一般般的的放放大大器器。其其目目的的：一一是是将将它它的的高高阻阻抗抗输输出出变变换换成成低低阻阻抗抗输输出出，二二是放大传感器输出的
39、微弱信号。是放大传感器输出的微弱信号。根据前面的等效电路，压电传感器的输出可以是电压，也可以是根据前面的等效电路，压电传感器的输出可以是电压，也可以是电荷，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。电荷，因此前置放大器也有两种形式：电压放大器和电荷放大器。1.电压放大器 2.电荷放大器 电荷放大器电荷放大器 它它能能将将高高内内阻阻的的电电荷荷源源转转换换为为低低电电阻阻的的电电压压源源，而而且且输输出出电电压压正正比比于于输输入入电电荷荷，同同样样起起着着阻阻抗抗变变换换的的作作用用，其其输输入入阻阻抗抗高高达达10101012，输输出出阻阻抗抗小小于于100，优优点点是是在在一一
40、定定条条件件下下，传传感感器器的的灵灵敏敏度度与与电电缆缆长长度度无无关关，电电荷荷放放大大器器的的输输出出电电压压仅仅与与输输入入电电荷荷和和反反馈馈电电容有关容有关。电荷放大器电荷放大器能将能将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换为电电荷转换为电压（压（Q/U转换器），但转换器），但并无放大电荷的作用并无放大电荷的作用，只是一，只是一种习惯叫法。种习惯叫法。图图6.7 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路（6.7）电荷放大器的输出电压只与电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容输入电荷量和反馈电容有关，而有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系，只要保与放大器的放大系数
41、的变化或电缆电容等均无关系，只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线性关变化成线性关系的输出电压。而反馈电容系的输出电压。而反馈电容Cf小，输出就大，要达到一定的小，输出就大，要达到一定的输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。输出灵敏度要求，就必须选择适当的反馈电容。输出电压与电缆电容无关，要满足输出电压与电缆电容无关，要满足 （1+K）Cf（Ca+Cc+Ci）K为放大器的开环增益为放大器的开环增益.优点：优点：压电转换元件具有自发和可逆两种重要性能，体积小、压电转换元件具有自发和可逆两种重要性能，体积小、重量轻、结构简单、工作可靠、固有
42、频率高、灵敏度和信噪比重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏度和信噪比高，特别适合于高，特别适合于动态测量。动态测量。缺点：缺点：无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的无静态输出，要求有很高的电输出阻抗，需用低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度在低噪声电缆，很多压电材料的工作温度在250 左右。左右。第四节第四节 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 广义地讲，凡是利用压电材广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的各种传感料各种物理效应构成的各种传感器，都可称为压电式传感器，它器，都可称为压电式传感器，它们已被广泛地应用在工业、军事们已被广泛地应用在工业、军事和民用等
43、领域。和民用等领域。利用利用正压电效应：正压电效应：在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，在测试技术中，压电转换元件是一种典型的力敏元件，能测量最终可变换为力的有关物理量，例如压力、位移、加速度、机械冲能测量最终可变换为力的有关物理量，例如压力、位移、加速度、机械冲击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电击和振动等，因此在声学、力学、医学和宇航等广阔领域中都可见到压电式传感器的应用。式传感器的应用。压电电源（煤气灶和汽车发动机的自动点火装置等电压发生器）。压电电源（煤气灶和汽车发动机的自动点火装置等电压发生器）。利用利用逆压电效应：逆压电效应：可制成多种超声波
44、发生器和压电扬声器等。可制成多种超声波发生器和压电扬声器等。超声振子超声振子超声清洗机超声清洗机超声焊接机超声焊接机超声波加湿器超声波加湿器超声振子压电扬声器压电扬声器超声波测距超声波测距一、压电式加速度传感器一、压电式加速度传感器 二、压电式测力传感器二、压电式测力传感器三、微重力压电晶体生物传感器三、微重力压电晶体生物传感器 四、医用电子鼻四、医用电子鼻 五、汽车安全气囊系统五、汽车安全气囊系统 六、压电引信六、压电引信 七、高分子压电电缆在交通监测中的应用七、高分子压电电缆在交通监测中的应用 八、高分子压电材料的其它应用八、高分子压电材料的其它应用 利用正、逆压电效应还可制成晶振、压电陀
45、螺、压电线性加速度利用正、逆压电效应还可制成晶振、压电陀螺、压电线性加速度计、压电变压器、声纳和压电声表面波器件等。计、压电变压器、声纳和压电声表面波器件等。压电陀螺压电陀螺声纳声纳晶振晶振一、压电式加速度传感器 用用于于测测量量加加速速度度的的传传感感器器种种类类很很多多，压压电电式式加加速速度度传传感感器器是是一一种种最最常常用用的的加加速速度度计计（80以以上上）。具具有有一一系系列列优优点点：体体积积小小，重重量量轻轻，坚坚实实牢牢固固，有有较较好好的的频频率率响响应应（几几千千赫赫几几十十千千赫赫），如如果果配配以以电电荷荷放放大大器器，低低频频响响应应也也很很好好（可可低低至至零零
46、点点几几赫赫），测测量量范范围围大（加速度为大（加速度为10-510-4 g，g 为重力加速度为重力加速度 9.8ms2）等。）等。压电元件（一般由两片压电晶片并联）置于基座上，压电元件（一般由两片压电晶片并联）置于基座上，其上面加一块比重较大的质量块，质量块上用弹簧压紧，其上面加一块比重较大的质量块，质量块上用弹簧压紧，从而对压电晶片施加从而对压电晶片施加预应力预应力。因为因为 F=ma（m 为重块质量，为重块质量，a 为加速度），当传感器选为加速度），当传感器选定后，定后，m为常数，所以传感器输出电荷为为常数，所以传感器输出电荷为 Q 与加速度与加速度 a 成正比。成正比。因为，压电传感器
47、的输出电压为因为，压电传感器的输出电压为 ，若传感器中电容量，若传感器中电容量 C 不变，那么不变，那么 ，因此，可以用电压值表示测量的加速度。，因此，可以用电压值表示测量的加速度。测量加速度时，被测物件与传感器刚性固定在一起，质量块测量加速度时，被测物件与传感器刚性固定在一起，质量块也受加速度的作用产生一个与加速度成正比的惯性力也受加速度的作用产生一个与加速度成正比的惯性力 F 作作用于压电元件上，因而产生电荷用于压电元件上，因而产生电荷Q。二、压电式测力传感器二、压电式测力传感器 压电片的并联接法压电片的并联接法 压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压电片通常压电陶瓷多制成片状，称为压电片。压
48、电片通常是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并是两片（或两片以上）粘结在一起，一般常用的是并联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷联接法。其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并并为单片电荷为单片电荷Q的两倍。的两倍。压电式动态力传感器以及在压电式动态力传感器以及在 车床车床中用于动态切削力的测量中用于动态切削力的测量 动画演示动画演示 压压电电式式动动态态力力传传感感器器位位于于车车刀刀前前端端下下方方，切切削削前前，虽虽然然车车刀刀紧紧压压在在传传感感器器上上，压压电电晶晶片片在在压压紧紧的的瞬瞬间间也也曾曾产产生生出出很很大大的的电电荷荷，但但几几秒秒之之内内电电荷荷就就通
49、通过过电电路路的的泄泄露露电电阻阻中中和和掉掉了了。切切削削过过程程中中，车车刀刀在在切切削削力力的的作作用用下下上上下下剧剧烈烈颤颤动动，将将脉脉动动力力传传递递给给单单向向动动态态力力传传感感器器。传传感感器器的的电电荷荷变变化化量量由由电电荷荷放放大大器器转转换换成电压，再用记录仪记录下切削力的变化量。成电压，再用记录仪记录下切削力的变化量。压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态压电式步态分析跑台分析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力 三、微重力压电晶体生物传感器
50、压电材料价廉、简单，且输出电压较大，因而在生物医学领域得到广泛压电材料价廉、简单，且输出电压较大，因而在生物医学领域得到广泛应用。下面介绍一种使用压电晶体的电子微重力测量传感器及其原理。应用。下面介绍一种使用压电晶体的电子微重力测量传感器及其原理。工业上生产的石英晶体具有很高的纯净度。固有频率十分稳定，且其压工业上生产的石英晶体具有很高的纯净度。固有频率十分稳定，且其压电振荡频率主要取决于电振荡频率主要取决于石英片的厚度石英片的厚度。用于电子微重力测量传感器的石英晶。用于电子微重力测量传感器的石英晶片厚度为片厚度为1015mm、采用、采用“Y”形切割的剪切模式，该模式可以克服谐振和形切割的剪切