傳感器應(yīng)用技術(shù)項目七壓電式傳感器壓電效應(yīng)與壓電材料1.基本原理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，它既可以將機械能轉(zhuǎn)化為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能。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。

壓電式傳感器具有體積小，重量輕，工作頻帶寬、靈敏度高、工作可靠、測量范圍廣等特點，因此在各種動態(tài)力、機械沖擊與振動的測量，以及聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。2.壓電效應(yīng)

當(dāng)某些電介質(zhì)沿一定方向受外力作用而變形時，在其一定的兩個表面上產(chǎn)生異號電荷，當(dāng)外力去除后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)（positivepiezoelectriceffect）。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。2.壓電效應(yīng)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)”或“電致伸縮效應(yīng)”。逆壓電效應(yīng)電能機械能正壓電效應(yīng)3.壓電材料迄今已出現(xiàn)的壓電材料可分為三大類一、是壓電晶體（單晶），它包括壓電石英晶體和其他壓電單晶；石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。二、是壓電陶瓷；三、是新型壓電材料，其中有壓電半導(dǎo)體和有機高分子壓電材料兩種。在傳感器技術(shù)中，目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇與鈦酸鉛系列壓電陶瓷。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。3.壓電材料壓電材料的主要特性參數(shù)有：（1）壓電常數(shù)：壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強弱的參數(shù)，它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。

（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電器件的固有頻率和動態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。

3.壓電材料(4）機械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機械能）之比的平方根；它是衡量壓電材料機電能量轉(zhuǎn)換效率的一個重要參數(shù)。（5）電阻壓電材料的絕緣電阻：將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點：壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點。4.石英晶體壓電效應(yīng)石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分。目前傳感器中使用的均是以居里點為573℃，壓電系數(shù)d11＝2.31×10-12C.N-1；莫氏硬度為7、熔點為1750℃、膨脹系數(shù)僅為鋼的1/30。優(yōu)點：（1）壓電常數(shù)小。其時間和溫度穩(wěn)定性極好，常溫下幾乎不變，在20～200℃范圍內(nèi)其溫度變化率僅為－0.016％/℃；（2）機械強度和品質(zhì)因素高。許用應(yīng)力高達（6.8～9.8）×107Pa，且剛度大，固有頻率高，動態(tài)特性好；（3）居里點573℃，無熱釋電性，且絕緣性、重復(fù)性均好。x軸：電軸或1軸；y軸：機械軸或2軸；z軸：光軸或3軸。

4.石英晶體壓電效應(yīng)“縱向壓·電荷“：沿電軸方向的作用力產(chǎn)生電荷“橫向壓電效應(yīng)”：沿機械軸(y軸)方向的力作用下產(chǎn)生電荷在光軸(z軸)方向時則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。若從晶體上沿y方向切下一塊如下圖所示晶片，當(dāng)在電軸方向施加作用時，在與電軸x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷Qx，其大小為

4.石英晶體壓電效應(yīng)式中：——x方向受力的壓電系數(shù)；——作用力。若在同一切片上，沿機械軸y方向施加作用力

，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷Qy，其大小為：

4.石英晶體壓電效應(yīng)5.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

壓電陶瓷是一種常見的壓電材料。壓電陶瓷經(jīng)過極化處理后具有非常高的壓電系數(shù)，為石英晶體的幾百倍。如圖所示，壓電陶瓷在極化面上受到垂直于它的均勻分布的作用力時，則在這兩個鍍銀極化面上分別出現(xiàn)正、負電荷。5.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶壓電材料。所謂“多晶”，它是由無數(shù)細微的單晶組成；每個單晶形成單個電疇，無數(shù)單晶電疇的無規(guī)則排列，致使原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性而不具有壓電性。要使之具有壓電性，必須作極化處理，即在一定溫度下對其施加強直流電場，迫使“電疇”趨向外電場方向作規(guī)則排列；極化電場去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強的剩余極化，從而呈現(xiàn)出壓電性。6.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電常數(shù)大，靈敏度高。壓電陶瓷除有壓電性外，還具有熱釋電性，這會給壓電傳感器造成熱干擾，降低穩(wěn)定性。傳感器技術(shù)中應(yīng)用的壓電陶瓷，按組成元素可分為：（1）二元系壓電陶瓷以鈦酸鋇，尤其以鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷應(yīng)用最廣。（2）三元系壓電陶瓷目前應(yīng)用的有PMN，它由鈮鎂酸鉛、鈦酸鉛PbTiO3、鋯鈦酸鉛PbZrO3三種成分配比而成。6.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)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，在是和石英晶體的不同之處。當(dāng)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，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6.壓電陶瓷的壓電效應(yīng)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(guān)，它的參數(shù)也隨時間變化，從而使其壓電特性減弱。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。

7.高分子壓電材料高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙烯（PVC）等，其中以聚偏二氟乙烯壓電常數(shù)最高。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大面積的成品，這些優(yōu)點是其他壓電材料所不具備的，因此，在一些特殊用途的傳感器中獲得廣泛應(yīng)用。它與空氣的聲阻抗匹配具有獨特的優(yōu)越性，所以它是很有發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娐暡牧稀?/p>

8.壓電材料介紹

壓電材料