1第四章壓電式傳感器1.了解壓電效應和壓電材料2.了解壓電材料的壓電特性3.壓電傳感器的等效電路4.壓電傳感器應用舉例2概述

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)的壓電效應為基礎，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。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，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)的測量。壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點。由于它沒有運動部件，因此結(jié)構堅固、可靠性、穩(wěn)定性高。

31.了解壓電效應和壓電材料一、壓電效應當壓電晶體薄片受到壓力時，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應。若在壓電材料的極化方向上施加交變電壓，它就會產(chǎn)生機械變形。當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應（電致伸縮效應）。

逆壓電效應電能機械能正壓電效應4壓電材料參數(shù)簡介壓電常數(shù)彈性常數(shù)（剛度）居里點壓電效應強弱：靈敏度固有頻率、動態(tài)特性喪失壓電性的溫度1.了解壓電效應和壓電材料51.了解壓電效應和壓電材料

當力的方向改變時，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。石英晶體的壓電效應演示61.了解壓電效應和壓電材料

二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電材料一般有三類：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。7

常見壓電晶體有天然和人造石英晶體、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等)。石英晶體，其化學成分為SiO2（二氧化硅），壓電系數(shù)

C/N。在幾百度的溫度范圍內(nèi)，其壓電系數(shù)穩(wěn)定不變，具有十分穩(wěn)定的固有頻率f0，能承受700~1000kg/cm2的壓力，是理想的壓電傳感器的壓電材料。1.了解壓電效應和壓電材料（一）石英晶體8天然形成的石英晶體外形1.了解壓電效應和壓電材料9石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝1.了解壓電效應和壓電材料記錄的聲頻震動，帶動石英晶體（晶體拾音器）按聲頻變形，由此產(chǎn)生的電壓經(jīng)放大后通過揚聲器將記錄的聲音復員。101.了解壓電效應和壓電材料晶體拾音器電唱機將機械震動轉(zhuǎn)換為電信號11

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應與逆壓電效應交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振石英晶體振蕩器（晶振）1.了解壓電效應和壓電材料12（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（如鈦酸鋇BaTiO3等）。壓電陶瓷可用于做加速度、力等各種常用的物理量的測量。1.了解壓電效應和壓電材料13

壓電陶瓷外形1.了解壓電效應和壓電材料14例1：壓電引信壓電陶瓷：彈丸起爆裝置——破甲彈1.了解壓電效應和壓電材料15例2：汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體1.了解壓電效應和壓電材料碰撞加速度傳感器16（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。它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。它不易破碎，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，頻率響應范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB。1.了解壓電效應和壓電材料17補充：

dB是物理學和工程上經(jīng)常使用的“相對單位”，其表達的是相對標準的對數(shù)比例關系。習慣上，強度或者幅度的相對比值，采用20倍以10為底的對數(shù)，能量比則為10倍。比如：放大器的電壓放大倍數(shù)，可以描述為20lg(Vo/Vi)，而功率放大倍數(shù)則為10lg(Po/Pi)，單位稱為“分貝”，符號為dB。

80dB=20lg（out）/（in）＝＞（out）/（in）=100001.了解壓電效應和壓電材料18高分子壓電薄膜及拉制1.了解壓電效應和壓電材料19

高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜1.了解壓電效應和壓電材料20

例1：壓電式腳踏報警器1.了解壓電效應和壓電材料21例2：高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭（逆壓電效應）1.了解壓電效應和壓電材料22例3：壓電式血壓傳感器1.了解壓電效應和壓電材料23

將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報警系統(tǒng)。粘貼位置使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q

，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。例4：壓電式玻璃破碎報警器1.了解壓電效應和壓電材料24質(zhì)量塊

將厚約0.2mm左右的PVDF薄膜裁制成10

20mm大小。在它的正反兩面各噴涂透明的二氧化錫導電電極，再用超聲波焊接上兩根柔軟的電極引線。并用保護膜覆蓋。使用時，用瞬干膠將其粘貼在玻璃上。當玻璃遭暴力打碎的瞬間，壓電薄膜感受到劇烈振動，表面產(chǎn)生電荷Q

，在兩個輸出引腳之間產(chǎn)生窄脈沖報警信號。1.了解壓電效應和壓電材料25

帶通濾波使玻璃振動頻率范圍內(nèi)的輸出電壓信號通過，其它頻段的信號濾除。比較器作用是當傳感器輸出信號高于設定的閾值時,輸出報警信號,驅(qū)動報警執(zhí)行機構工作。如進行聲光報警。1.了解壓電效應和壓電材料261.了解壓電效應和壓電材料27休息一下醫(yī)生問病人是怎么骨折的。病人說，我覺得鞋里有沙子，就扶著電線桿抖鞋。TMD有個混蛋經(jīng)過那里，以為我觸電了，便抄起木棍給了我兩棍子!28如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。2.了解壓電材料的壓電特性29在晶體學中，可以把將其用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸(垂直于六棱柱體的棱面)稱為機械軸。2.了解壓電材料的壓電特性30一、石英晶體產(chǎn)生壓電效應的微觀機理石英晶體具有壓電效應，是由其內(nèi)部分子結(jié)構決定的。如圖是一個單元組體中構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。圖中紅圈代表硅離子Si4+，綠圈代表氧離子O2-。

2.了解壓電材料的壓電特性x(a)y(b)x+++---y312.了解壓電材料的壓電特性二氧化硅分子結(jié)構32圖硅氧離子的排列示意圖x(a)yy2.了解壓電材料的壓電特性(b)x+++---y33y(a)Fx=0x+P1P2P3--++-當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。如圖所示。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。2.了解壓電材料的壓電特性34(b)Fx>0xFxyFx-P1P2P3----+++++++--當晶體受到沿x方向的壓力（Fx>0）作用時，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，如圖所示。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=02.了解壓電材料的壓電特性35當晶體受到沿x方向的拉力（Fx<0）作用時，其變化情況如圖所示。電偶極矩P1增大，P2、P3減小，此時它們在x、y、z三個方向上的分量為：

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

Fx<0yxFxFxP2P3P1____++--+++++2.了解壓電材料的壓電特性36可見，當晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx作用時，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應。

晶體在y軸方向受力Fy作用下的情況與Fx相似。當Fy＞0時，晶體的形變與圖（c）相似；當Fy

＜0時，則與圖（b）相似（x方向的壓力相當于y方向的拉力，反之亦然）。

由此可見，晶體在y（即機械軸）方向的力Fy作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應。2.了解壓電材料的壓電特性37（a）yxzOzyxabc（b）二、作用力與電荷的關系若從晶體上沿y方向切下一塊如圖（a）所示的晶片，當沿電軸x方向施加應力σx時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度P11與應力σx

成正比。

2.了解壓電材料的壓電特性38即：d11——壓電系數(shù)。下標的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；b、c——石英晶片的長度和寬度。而P11在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度將以上兩式聯(lián)立，得2.了解壓電材料的壓電特性zyxabc（b）39反之，若沿x方向?qū)┘与妶?，電場強度大小為Ex

。根據(jù)逆壓電效應，晶體在x軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即：

Δa=d11Ux也可用相對應變表示為：注：E=U/d2.了解壓電材料的壓電特性40若在同一切片上，沿機械軸y方向施加應力σy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為：根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=-d12，則：晶片厚度2.了解壓電材料的壓電特性zyxabc（b）41反之，若沿y方向?qū)┘与妶?，根?jù)逆壓電效應，晶片在y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用相對應變表示：2.了解壓電材料的壓電特性42①當晶片受到電軸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；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的；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應的；④晶體在哪個方向上有正壓電效應，則在此方向上一定存在逆壓電效應；⑤無論是正或逆壓電效應，其作用力（或應變）與電荷（或電場強度）之間皆呈線性關系。2.了解壓電材料的壓電特性43三、壓電陶瓷的壓電效應壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場。在無外電場作用時，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。自發(fā)極化方向相同的區(qū)域稱為電疇2.了解壓電材料的壓電特性44在陶瓷上施加外電場時，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動，趨向于按外電場方向的排列，從而使材料得到極化。外電場愈強，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場方向。讓外電場強度大到使材料的極化達到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場方向一致時，當外電場去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強度很大，這時的材料才具有壓電特性。2.了解壓電材料的壓電特性45對于壓電陶瓷，通常取它的極化方向為z軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸，這是和石英晶體的不同之處。當壓電陶瓷在沿極化方向受力時，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會出現(xiàn)電荷，如圖（a）所示，其電荷量q與作用力Fz成正比，即式中：

d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。

2.了解壓電材料的壓電特性y(5-12)----

++++FzFzxz（a）縱向變形46壓電陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx時，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負電荷，其電荷量q與作用力Fy、Fx也成正比，即式中Az——極化面面積；

Ax、Ay——受力面面積；

d32、d31——壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)2.了解壓電材料的壓電特性47壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強度和特性與溫度有關，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。

2.了解壓電材料的壓電特性48

最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按1∶1摩爾分子比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點溫度只有115℃，使用溫度不超過70℃，溫度穩(wěn)定性和機械強度都不如石英。

2.了解壓電材料的壓電特性49休息一下某日,一中國人,一美國人,一日本人,在沙漠里迷路了,三人走著走著看見一個神燈,搓一搓神仙出來了,就說:“我可以滿足你們?nèi)齻€人每人三個愿望,現(xiàn)在說出你們的愿望吧!“美國人就說:"我想要很多很多的錢,我想要很高很高的地位,我想要回到我的家里.神仙聽后滿足了他的愿望.輪到日本人了,他說:"我想要很多很多的錢,我想要很高很高的地位,我也想回到我的家里.神仙也同樣滿足了他的愿望.輪到中國人了.他說:“給我來瓶二鍋頭.喝了下去,之后不滿足的說:”給我來更多的二鍋頭!神仙變出了許多的二鍋頭,這下他心滿意足的喝著.這時神仙說:“你還有第三個愿望,說出來吧!”只看那人想了想,說:我自己喝都不過癮,把剛才那倆人給我叫回來.!!!50一、壓電晶片的連接方式（1）并聯(lián)：（2）串聯(lián)：UUqqCC=￠=￠=￠,2,2UUqqCC2,,21=￠=￠=￠3.壓電傳感器的等效電路51二、壓電傳感器的等效電路只適宜動態(tài)測量壓電晶片：壓電傳感器：eCQU=3.壓電傳感器的等效電路52壓電傳感器在實際測量系統(tǒng)中的等效電路(放大器未畫出)3.壓電傳感器的等效電路533.壓電傳感器的等效電路三塊壓電材料的串聯(lián)加上放大器的電路544.壓電傳感器應用舉例例1壓電式測力傳感器

圖是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1~0.5mm，當外力作用時，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應，通過d11實現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為φ8×1mm。該傳感器的測力范圍為0~50N，最小分辨率為0.01N，固有頻率為50~60kHz，整個傳感器重為10g。

55例2壓電式加速度傳感器

下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。當加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即

F=ma式中：F——質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；m——質(zhì)量塊的質(zhì)量；a——加速度。

4.壓電傳感器應用舉例564.壓電傳感器應用舉例

此時慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為:與加速度a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。q=d11F=d11ma57例3：火炮堂內(nèi)壓力測試發(fā)射藥在堂內(nèi)燃燒形成壓力完成炮彈的發(fā)射。堂內(nèi)壓力的大小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮、彈丸的設計有著密切關系。