第7章

壓電傳感器

7.1 壓電式傳感器的工作原理2

壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機械沖擊和振動進行測量，在聲學、醫(yī)學、力學、導航方面都得到廣泛的應用。它具有體積小、質量輕、結構簡單、頻響高、信噪比大等特點。缺點是某些壓電材料輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。

壓電式傳感器的工作原理是基于電介質材料的壓電效應，當對材料的表面施加力時，其表面會產生電荷，電荷經電荷放大器和測量電路放大變換后，成為與外力成正比的電輸出，由此再進行測量。值得注意的是壓電傳感器不能用于靜態(tài)測量，并且經過外力作用后的電荷，只有在回路具有無限大的輸入阻抗時才得到保存。3壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應，當對電介質材料施以外力時，電介質材料為了對抗變形會在材料表面產生正負電荷，而這種因為形變而產生的電極化現(xiàn)象稱為正壓電效應。正壓電效應7.1.1 壓電效應4當對電介質材料施加電場時，電介質材料表面就會出現(xiàn)一些機械形變的現(xiàn)象，并且電介質材料形變的程度與對其施加的外電場強度成正比，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應。逆壓電效應5這種正壓電效應能將機械能轉換成電能，逆壓電效應則反之。單晶材料和多晶鐵電陶瓷中都可產生壓電效應。壓電效應通常都源自于晶體結構。石英等天然材料具有壓電效應，原因就在于其自身的晶體結構。壓電效應被廣泛應用于各種器件如振蕩器、換能器、微型直線電機、濾波器等，以及壓電式傳感器中。壓電材料的壓電性涉及到力學和電學之間的相互作用，而壓電方程就是描述壓電材料的力學量和電學量之間相互關系的表達式。在壓電式傳感器中，壓電方程通常表現(xiàn)為壓電材料受到外力F時，壓電材料的某一外表面會產生相對應的電荷Q。其關系表示

Q=dF關系式中的d指壓電系數(shù)，d是一個常數(shù)。因為傳感器中的壓電材料所受到力的方向和方式不同，其傳感器的壓電系數(shù)也會不同，所以常用d_ij來表示不同的壓電系數(shù)。6壓電材料是指在受到壓力電場的作用下能夠呈現(xiàn)壓電效應的一類材料。這類壓電材料可以用來設計高性能傳感器。壓電材料可分為無機壓電材料和有機壓電材料兩大類。無機壓電材料主要包括單晶體材料，壓電陶瓷，如鉛鋯鈦酸鉀（PZT）、硼酸鈉（NaNO3）和鋅氧化物（ZnO）等。這些材料具有優(yōu)異的壓電性能和穩(wěn)定性，廣泛應用于傳感器、換能器、電子元件等領域。有機壓電材料是一類相對較新的材料，由有機聚合物構成，如聚偏氟乙烯（PVDF）和聚偏二氟乙烯三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）。有機壓電材料具有較高的柔韌性和可塑性，適合于彎曲和可穿戴應用。7.1.2 壓電材料7石英是壓電晶體的代表，石英晶體是一種應用廣泛的壓電晶體。它是二氧化硅單晶體，屬于六角晶系，為規(guī)則的六角棱柱體。石英晶體有3個晶軸如圖所示:X軸、Y軸和Z軸。Z軸又稱光軸，它與晶體的縱軸線方向一致：X軸又稱電軸，它通過六面體相對的兩個棱線并垂直于光軸：Y軸又稱為機械軸，它垂直于兩個相對的晶柱棱面。1.

單晶體材料8石英晶體的壓電性是由其晶體結構特點所決定的。在石英晶體中，硅原子和氧原子通過共價鍵結合形成了三維的網(wǎng)狀結構，其中硅原子位于晶體的中心位置，而氧原子則位于硅原子周圍形成四面體結構。當施加外力或應力于石英晶體時，晶體結構發(fā)生變形，導致正負電荷的位移和重新分布，從而在晶體內部產生電荷分離和電勢差，表現(xiàn)出壓電效應。石英晶體是一種各向異性的介質，在各個方向上晶體性質都是不同的。當施加力沿著電軸X方向時，產生的電荷效應被稱為“縱向壓電效應”；而當施加力沿著機械軸Y方向時，則產生的電荷效應稱為“橫向壓電效應”。在光軸Z方向受力時，不產生壓電效應。1.

單晶體材料91.

單晶體材料

10晶片上電荷極性與其受力方向的關系如下圖所示：1.

單晶體材料

a)b)c)d)電荷與受力方向的關系a)x軸向受壓力b)x軸向受拉力c)y軸向受壓力d)y軸向受拉力11當對壓電陶瓷施加機械應力或電場時，壓電材料中的正負電荷會分離，并形成一個電疇。電疇是指材料內部的電場強度存在一個方向性的區(qū)域。壓電陶瓷的電疇可以在材料內部產生極化，即電疇中的正負電荷會分別向材料的不同方向偏移，如圖所示。2.

壓電陶瓷壓電陶瓷中的電疇a)原始狀態(tài)b）極化狀態(tài)12

有機壓電材料是指由有機分子構成的具有壓電效應的材料。相比傳統(tǒng)的無機壓電材料，有機壓電材料具有柔性、低成本、可塑性和可加工性等優(yōu)點。PVDF是最常見的有機壓電材料之一。它具有良好的壓電性能、化學穩(wěn)定性和耐久性。與其他聚合物共聚或摻雜，如聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（P(VDF-TrFE)）、聚偏氟乙烯-四氟乙烯共聚物（P(VDF-TFE)）等，可以改善其性能并增強壓電響應。PVDF具有許多優(yōu)點:第一是PVDF具有良好的化學穩(wěn)定性，可以耐受酸堿、有機溶劑和氧化劑的侵蝕。這使得PVDF適用于各種環(huán)境條件下的應用，并具有較長的使用壽命。第二是高溫穩(wěn)定性，PVDF具有較高的熔點和玻璃化轉變溫度，可以在相對高溫下保持其性能。這使得PVDF在高溫環(huán)境中的應用具有優(yōu)勢。第三是PVDF具有相對較高的壓電常數(shù)，即在施加機械應力或電場時能夠產生較大的電荷或機械位移。這使得PVDF在壓電傳感器和能量收集器等應用中具有優(yōu)異的性能。3.

有機壓電材料13

7.1.3 壓電元件變形方式彎曲變形:通過施加機械應力或電場，壓電元件可以產生彎曲變形。這種變形是由于電疇的重新排列和材料的壓電耦合效應引起的，導致元件在彎曲方向上產生位移。扭轉變形:壓電元件可以通過施加扭轉力或電場來實現(xiàn)扭轉變形。扭轉變形是由于電疇重新排列導致材料的扭轉剛度發(fā)生變化，從而使元件發(fā)生旋轉或扭轉。拉伸/壓縮復合變形:在某些壓電元件中同時施加機械壓力或電場，使其產生拉伸或壓縮復合變形。這種變形可以通過調節(jié)機械壓力和電場的作用方式和大小，使元件在多個方向上產生復合變形。14懸臂梁彎曲:通過將一端固定而另一端自由懸掛的壓電材料，在施加電場時使懸臂梁發(fā)生彎曲變形。這種變形方式常用于微機電系統(tǒng)（MEMS）中的壓電傳感器和執(zhí)行器。薄膜/薄片變形:將壓電材料制備成薄膜或薄片形式，可以在施加電場或機械應力時實現(xiàn)膜片的形變。這種變形方式常用于柔性電子、壓電聲發(fā)生器和壓電傳感器等應用中。螺旋形變形:通過將壓電材料制成螺旋形狀，施加電場或機械應力時可以使螺旋發(fā)生扭轉和形變。這種變形方式常用于微納尺度的壓電器件和微型驅動器。管狀變形:通過將壓電材料制備成管狀結構，在施加電場或機械應力時可以使管狀元件發(fā)生徑向的膨脹或收縮。這種變形方式常用于液體噴射器和微型泵等應用中。15在實際使用中，若僅用單片壓電元件工作的話，要產生足夠的表面電荷就要很大的作用力，因此一般采用兩片或兩片以上壓電元件組合在一起使用。由于壓電元件是有極性的，因此連接方法有兩種:并聯(lián)連接和串聯(lián)連接。

7.2 等效電路和測量電路a)并聯(lián)b）串聯(lián)

16當壓電傳感器的壓電元件受到外力作用時，就會在受力縱向或橫向表面上出現(xiàn)電荷。在一個極板上聚集正電荷，而在另一個極板上聚集負電荷。因此壓電傳感器可以看成是一個電荷發(fā)生器。同時，它又相當于一個以壓電材料為電介質的電容器，其電容值為:

7.2.1等效電路

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a)b)壓電傳感器的實際等效電路a)電壓源b）電荷源壓電傳感器的靈敏度是指傳感器輸出信號與輸入物理量之間的關系，即傳感器對輸入物理量變化的靈敏程度。對于壓電傳感器來說，靈敏度通常以輸出電壓或輸出電荷的變化量與輸入物理變化量的比值表示。18

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7.2.1前置放大器20電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號進行適當放大，因此也把這種測量電路稱為阻抗變換器。電壓放大器電路原理圖及其等效電路如下:1.

電壓放大器a)b)電壓放大器電路原理及其等效電路圖a)放大器電路b）等效電路21

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24由于電壓放大器使配接的壓電式傳感器的電壓靈敏度將隨電纜分布電容及傳感器自身電容的變化而變化，而且電纜的更換得引起重新標定的麻煩，為此又發(fā)展了便于遠距離測量的電荷放大器，電荷放大器是壓電式傳感器另一種專用的前置放大器。它能將高內阻的電荷源轉換為低內阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，是具有深度電容負反饋的高增益運算放大器。它的基本電路如圖所示:3.

電荷放大器

電荷放大器電路原理及其等效電路圖25

26振動加速度測試系統(tǒng)由壓電式加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集測試儀組成，由傳感器將加速度信號送入電荷放大器，電荷放大器將信號轉換為電壓信號并放大，通過數(shù)據(jù)采集測試儀采樣，便實現(xiàn)了對信號的采集。采集得到的信號可以通過計算機實時顯示、分析和處理，也可以保存以便二次處理。7.3 壓電式傳感器的應用27PVDF聲發(fā)射傳感器是一種利用PVDF材料的壓電效應進行聲發(fā)射檢測的高靈敏度傳感器。具有寬動態(tài)范圍、耐高溫和耐疲勞性能，同時結構靈活，能夠根據(jù)需要進行形狀設計和彎曲，適用于各種檢測表面的形狀。與加速度傳感器不同，聲發(fā)射傳感器通過壓電晶片自身的諧振變