第9章 压电式传感器

压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些物质的压电效应，是一种典型的有源传感器，即发电型传感器。压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、机械阻抗大、信噪比高、工作可靠、测量范围广等优点，它可以把力、压力、加速度等许多非电量转化为电量，因此在机械、声学、力学、医学和航空航天等领域得到了广泛的应用。9.1压电效应及压电材料9.2压电传感器的等效电路和测量电路9.3压电传感器的应用压电式传感器压电式传感器9.1压电效应及压电材料一、压电效应某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。压电式传感器正（顺）压电效应示意图F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－石英晶体的压电效应演示四、压电式传感器：压电式传感器反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。压电效应的可逆性逆压电效应电能机械能正压电效应压电式传感器二、压电材料压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻率居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度机械性能电性能温度稳定性→时间稳定性压电特性不随时间蜕变压电式传感器类别材料成分特性石英晶体单晶体、水晶（人造、天然）SiO2d11=2.31×10-12C/N，压电系数稳定，固有频率稳定承受压力700-1000Kg/cm2压电陶瓷人造多晶体钛酸钡、锆钛酸钡、铌酸盐系压电系数高d33=190×10-11C/N品种多、性能各异新型压电材料压电半导体压电特性半导体特性集成压电传感器有机高分子压电材料质轻柔软、抗拉强度高、机电耦合系数高常用压电材料压电式传感器二、压电材料1.石英晶体如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。压电式传感器1.石英晶体如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。压电式传感器1.石英晶体压电式传感器当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷qx,其大小为：qx=d11Fx式中:d11——x方向受力的压电系数;Fx——作用力若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为：qy=d12Fya/bd12——y轴方向受力的压电系数,d12=-d11a,b——晶体切片长度和厚度。石英晶体切片压电式传感器硅氧离子的排列示意图(a)xy(b)+xy++---“＋”代表硅离子Si4+，“－”代表氧离子O2-。石英晶体产生压电效应的微观机理—硅氧离子在xy平面上的投影压电式传感器当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图(a)所示。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即：P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。压电式传感器(b)Fx0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--当晶体受到沿x方向受到压力Fx作用时，晶体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图(b)所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量不再等于零，即在x轴的正向出现正电荷:(P1+P2+P3)x0在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0压电式传感器当晶体受到沿x方向的拉力Fx作用时，其变化情况如图（c）所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为(P1+P2+P3)x0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。(c)Fx0yx+++FxFxP2P3P1+++--+-----压电式传感器可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。晶体在y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx相似。当Fy＞0时，晶体的形变与图(b)相似；当Fy＜0时，则与图(c)相似。由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz作用下，晶体不产生压电效应。压电式传感器作用力与电荷的关系（a）yxzOxazybc（b）若从晶体上沿y方向切下一块如图(a)所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力σx时，晶片的厚度将产生变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力σx成正比。压电式传感器bcFddPxx111111即：d11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；b、c——石英晶片的长度和宽度；qx－在与电轴x垂直的平面上产生的电荷。而P11在数值上等于晶面上的电荷密度bcqPx11将以上两式联立，得xxFdq11(3)(2)(1)压电式传感器石英晶体受力方向与电荷极性关系+++++(a)Fxx-----xFy(c)+++++-----Fy(d)x+++++-----Fx(b)x+++++-----压电式传感器①当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷与几何尺寸有关的；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的（沿光轴方向受力不产生压电效应）；④晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；⑤无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。压电式传感器石英晶体的主要特点1.压电常数小，时间和温度稳定性好，常温下几乎不变，在20℃～200℃范围内，温度变化仅为-0.016%/℃；2.机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.8～9.8）×107Pa；3.刚度大，固有频率高，动态特性好；4.居里点为573℃，重复性、绝缘性好；5.价格昂贵，因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。压电式传感器2.压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，把外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。压电式传感器2.压电陶瓷压电式传感器(a)(b)电场方向压电陶瓷的极化(a)未极化;(b)电极化压电式传感器压电式传感器压电陶瓷的主要特点1.压电常数大，灵敏度高；2.制造工艺成熟，可通过合理配合和掺杂等人工控制来达到所需要的性能；3.成型工艺好，成本低廉，应用广泛。4.与石英晶体相比较，其稳定性不如石英好，居里点也低。压电式传感器常用的压电陶瓷1.钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低（120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2.锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里点温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料。3.铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。无铅压电陶瓷及其换能器外形（上海硅酸盐研究所研制）压电式传感器3.新型压电材料压电半导体材料压电半导体材料有ZnO、CdS、ZnO、CdTe等，这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可检测力和温度等参数。高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，具有一定的压电性能，这类薄膜称为高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。高分子压电薄膜及拉制压电式传感器9.2压电传感器的等效电路和测量电路一、压电晶片的连接方式－以提高灵敏度（1）并联：输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。UUqqCC,2,2（2）串联：输出电压大，本身电容小。适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。UUqqCC2,,2/压电式传感器二、压电传感器的等效电路压电元件的等效电路电荷源电容器εr－压电材料的相对介电常数；ε0－真空中的介电常数U压电式传感器aCQU二、压电传感器的等效电路(a)等效成一个电压源U（U=Q/Ca）和一个电容Ca的串联电路(b)等效为一个电荷源Q（Q＝CaU）与一个电容Ca并联的电路压电式传感器aCQU二、压电传感器的等效电路由图可知：只有在外电路负载RL为无穷大且内部无漏电时，压电式传感器受力所产生的电荷及电压才能长期保存下来，反之电路将以时间常数RLCa按照指数规律放电。因此，在测量频率很低的动态参数时要保证RL值很大，一般大于数百兆欧。压电传感器在实际测量系统中的等效电路压电式传感器Rd－压电元件本身的漏电阻；Cc－电缆的分布电容；Ri－测量电路放大器的输入阻抗；Ci－测量电路放大器的输入电容。三、压电传感器的测量电路电压放大器电荷放大器压电式传感器压电式传感器要求：负载电阻RL必须有很大的数值，才能使测量误差小到一定数值以内。因此常先接入一个高输入阻抗的前置放大器，然后再接一般的放大电路及其它电路。测量电路关键在高阻抗的前置放大器。前置放大器两个作用:􀁹把压电式传感器的微弱信号放大；􀁹把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。1、电压放大器－阻抗变换器（压电传感器专用的前置放大器）压电式传感器UCaRaCcRiCiQRaCcRiCiCa(c)()a电荷等效电路电压等效电路图7.8放大器输入端等效电路－KU0UiKU0UiUCRQRfC(d)()b简化的电荷等效电路简化的电压等效电路－KU0UiKU0UiCfCa：传感器的内部电容Ra：传感器的