压电式传感器.docx

压电式传感器压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应在外 力作用下，在电介质的表面上产生电荷，实现力与电荷的转换，所以它能测量最终转换为力 的物理量，如压力、加速度等最常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等压电传感器具 有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等优点 近年来，由于电子技术迅猛发展，随着与之配套的二次仪表，以及低噪声、小电容、高绝缘 电阻电缆的出现，使压电传感器使用更为方便，集成化、智能化的新型压电传感器也正在被 开发出来8.1压电效应对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两 个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向 改变时，电荷的极性也随之改变晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象 称为压电效应相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会产生变形，当 外电场撤离时，变形也随着消失，这种现象称为逆压电效应具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等8.1.1石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一，图8.1（a）所示为天然结构的石英晶体理想外形， 它是一个正六面体，在晶体学中可以用三根相互垂直的轴X、y、z来表示它们的坐标，如图 8.1（b）所示。

z轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，晶体沿光轴z方向受力时不产生 压电效应；经过正六面体棱线并垂直于光轴的x轴为电轴，晶体在沿电轴X方向的力作用下 产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，纵向压电效应最为显著；与z轴和x轴同时垂直的 轴为y轴，y轴垂直于正六面体的棱面，称为机械轴，晶体沿机械轴y方向的力作用下产生 电荷的压电效应称为横向压电效应，在y轴上加力产生的变形最大从石英晶体上沿轴线切 下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图8.1（c）所示若从晶体上沿机械轴y轴方向切下一块晶片，当在电轴x方向施加作用力二时，在与x 轴垂直的平面上将产生电荷公，其大小为 'qx=d11fX （8.1）式中，d11为电轴X方向受力的压电系数；£为沿电轴X方向施加的作用力若在同一切片上，沿机械轴y轴方向施加作用力fy时，则仍在与x轴垂直的平面上将产 生电荷qy，其大小为 'q = d af （8.2）式中，d12为机械轴y方向受力的压电系数，d12=-d11； fy为沿机械轴y方向施加的作用力；a、 b分别为晶体切片长度和厚度电荷qx和qy的符号由所受力的性质决定，当作用力fx和fy的方向相反时，电荷的极性 也随之改变。

图8.1石英晶体石英晶体受压力或拉力时，电荷的极性如图8-2所示图8.2晶片受力方向与电荷极性的关系石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷呢？可以解释如下：石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形 的顶角上，如图8-3a所示当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象如果在X轴方向施加压力，如图8-3b所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子 4挤入氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在B表面上出现负电荷如果 所受的力为拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况刚好相反如果在Y轴方向施加压力，则在表面A和B上呈现的极性如图8-3c所示，施加拉力时， 电荷的极性与它相反如果在Z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有 电荷出现，因而不产生压电效应c】图8.3石英晶体的压电效应8.1.2石英晶体石英就是二氧化硅(SiO2)，是一种压电晶体，压电效应就是在石英晶体中发现的 它是一种天然晶体，现在已有高化学纯度和结构完善的人工培养的石英晶体石英晶体的 压电系数《「2.31X1012C/N，在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变；但温 度达到573^时，石英则完全丧失了压电性质，这是它的居里点。

石英的熔点为1 750°C， 密度为2.65x103kg/m3，有很高的机械强度和稳定的机械性质，因而广泛地被应用石英晶 体元件主要用于测量大量值的力和加速度，或作为标准传感器使用但它的压电系数相当低， 因此它已逐渐被其他压电材料所代替除了石英晶体外，常用的压电晶体还有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6 ・4H2O)，铌酸锂 (LiNbO2)等8.1.3压电陶瓷的压电效应压电陶瓷也是一种常见的压电材料，它是人工制造的多晶体压电材料压电陶瓷内部具 有无规则排列的电畴，电畴结构类似于铁磁性材料的磁畴结构压电陶瓷在没有极化之前不 具有压电性，是非压电体，为使其具有压电性，就必须在一定温度下做极化处理所谓极化， 就是以强电场使电畴规则排列，从而呈现出压电性在100〜170C温度下，在外电场(1〜 4kV/mm )的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排列，从而使材料 得到极化在极化电场去除后，电畴基本保持不变，余下了很强的剩余极化，如图8.4所示 当极化后的压电陶瓷受到外力作用时，其剩余极化强度将随之发生变化，从而使一定表面分 别产生正负电荷，于是压电陶瓷就有了压电效应压电陶瓷在极化方向上压电效应最明显， 把极化方向定义为z轴，垂直于z轴的平面上的任何直线都可作为x或j轴。

压电陶瓷在经 过极化处理之后则具有非常高的压电系数，为石英晶体的几百倍；但压电陶瓷的参数会随时 间发生变化，即老化，压电陶瓷老化将使压电效应减弱图8.4压电陶瓷的极化过程和压电原理图8.1.4压电陶瓷1. 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和氧化钛（TiO2）在高温下合成的，具有较高 的压电系数（107x10-12CN）和介电常数（1 000〜5 000）,但它的居里点较低（约为120°C） 另外，它的机械强度不及石英，但它的压电系数高，因而在传感器中得到广泛使用2. 错钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的固溶体Pb （ZrTiO3）在锆 钛酸铅的基础上，添加一种或两种微量的其他元素，如镧（La）、铌（Nb）、锑（Sb）、锡（Sn）、 锰（Mn）、钨（W）等，可获得不同性能的PZT系列压电材料PZT系列压电材料均具有 较高的压电系数（％3=（200〜500） X10-12C/N）和居里点（300C以上），各项机电参数随温 度、时间等外界条件的变化较小，是目前常用的压电材料3. 铌酸盐系压电陶瓷铌酸盐系压电陶瓷是以铌酸钾（KNbO3）和铌酸铅（PbNbO2）为基础制成。

铌酸铅具 有较高的居里点（570C）、较低的介电常数在铌酸铅中用钡或锶代替一部分铅，可以引起 性能的根本变化，从而得到具有较高机械品质因素的铌酸盐压电陶瓷铌酸钾是通过热压过 程制成的，它的居里点也较高（480C）近年来，由于铌酸盐系压电陶瓷性能比较稳定，在 水声传感器方面得到广泛应用，如用作深海水听器除了以上几种压电材料，近年来，又出现了铌镁酸铅压电陶瓷（PMN），具有极高的压 电常数，居里点为260C，可承受700kg/cm2的压力8.2压电材料前文讲过了压电晶体和压电陶瓷两大类，前者是单晶体，后者是多晶体选用合适的压 电材料是设计高性能传感器的关键，一般应考虑以下几方面1）转换性能：具有较高的耦合系数或较大的压电系数压电系数是衡量材料压电效应 强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度2） 机械性能：作为受力元件，压电元件应具有较高的机械强度、较大的机械刚度3） 电性能：具有较高的电阻率和大的介电常数4） 温度和湿度稳定性：具有较高的居里点5） 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变8.3压电式传感器测量电路8.3.1压电器件的串联与并联在压电式传感器中，常将两片或多片压电器件组合在一起使用。

由于压电材料是有极性 的，因此接法也有两种，如图8.5所示图8.5（a）所示为串联接法，其输出电容C为单 片电容C的1/〃，即C' =C/h，输出电荷量Q与单片电荷量Q相等，即Q =Q，输出电 压U为单片电压U的n倍，即U' =nU；图8.5 （b）所示为并联接法，其输出电容C'为 单片电容C的n倍，即C' =nC，输出电荷量Q'是单片电荷量Q的n倍，，即Q' =nQ， 输出电压U'与单片电压U相等，即U' =U在以上两种连接方式中，串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出量及 测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适 用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合压电元件在压电传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电 片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系图8.5压电元件的串联和并联接法8.3.2压电式传感器的等效电路当压电传感器的压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷在 一个极板上聚集正电荷，另一个极板上聚集负电荷因此压电传感器可以看成是一个电荷发 生器，同时它也是一个电容器。

所以可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源， 等效电路如图8.6(a)所示电容器上的电压U、电荷q与电容Ca三者之间的关系为..U = % a 同时，压电传感器也可以等效为一个电压源和一个电容相串联的等效电路，如图8.4 (b)所 示其中幺为压电元件的漏电阻图8.6压电传感器的等效电路工作时，压电元件与二次仪表配合使用，必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆 电容Cc、放大器的输入电阻R和输入电容q如图8.7所示为压电传感器测试系统完整的 等效电路 1 1图8.7压电传感器的实际等效电路8.3.3压电式传感器的测量电路压电传感器的内阻抗很高，而输出信号却很微弱，因此一般不能直接显示和记录压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，以防止电荷迅速泄漏而使测 量误差减小压电传感器的前置放大器有两个作用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是 电荷信号，所以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（阻抗变换器）如图8.8（a）、（b）所示分别是电压放大器电路原理图及其等效电路图8.8电压放大器电路原理及其等效电路图在图8.8（b）所示电路中，电阻R=RR（Ra+Ri），电容C=C+C+C. 电元件受正弦力f=Fmsin。

的作用，则其电压为a 1 adF • .u = ~c^ sin ① t = U sin ① ta式中，Um为压电元件输出电压的幅值，U尸dFJC d为压电系数由化此可得放大器输入端电压R .上加cR + — j®cR .上1 j®c2 R +上脉'* ' m m aq，其复数形式为=dF ―昭— m 1 + j&R(C + C )q的幅值Uim为U = , m =im \：1 + ① 2R2（C + C + C ）输入电压与作用力之间的相位差为a c 1而ua=q/Ca，若压（8.3）（8.4）（8.5）①=2 - arctan[o(C + C + C )R]（8.6）在理想情况下，传感器的Ra值与前置放大器输入电阻?］都为无限大，即①（Ca+Cc+Ci）R»1， 那么由式（8.5）可知，理想情况下输入电压的幅值Uim为' 3 ° 1… dF m（8.7）。