压电式传感器(1)汇总

2. 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3 （钛酸铅 ）和PbZrO3（锆酸 铅 ）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。
表氧离子O2-。
y
-
y + x
x
+ + (b)
-
(a)
图5-2 硅氧离子的排列示意图
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5-3（a）所示。
y + 因为P = qL（q为电荷量，L为 P1 P3 正负电荷之间的距离），此时 + 正负电荷中心重合，电偶极矩 P2 + 的矢量和等于零，即 (a) Fx=0 P1+P2+P3＝0 所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。
5.1 压电效应及压电材料
输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根； 它是衡量压电材料机电能量转 换效率的一个重要参数。 （5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄 漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温 度称为居里点。
5.1.1 石英晶体 如图所示为天然石
若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使 极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也 增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果 外加电场的方向与极化方 - - - - 向相反，则陶瓷片沿极化 电 ＋＋＋＋＋ 场 方向产生缩短形变。这种 Ｅ 极化方向 方 由于电效应而转变为机械 - - - - - 向 ＋＋＋＋＋ 效应，或者由电能转变为 图5-11 逆压电效应示意图 机械能的现象，就是压电 陶瓷的逆压电效应。
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。
石英晶体产生压电效应的微观机理 石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。 图５ -2 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧 离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正 六边形排列。 图中“＋”代表硅离子Si4+， “－”代
5.1 压电效应及压电材料
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”。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
（1） 石英晶体 在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系 数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时， 石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的 机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵， 且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标 准仪器或要求较高的传感器中。
石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的 石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没 有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶
体。
因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向 切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温 度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根 据不同使用要求正确地选择石英片的切型。
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：
Qx d11 Fx
5.1 压电效应及压电材料
式中： d ——y轴方向受力的压电系数， d12 d11 12 a、b——晶体切片长度和厚度。 电荷Qx和Qy
电能
机械能
正压电效应 图5-1 压电效应的可逆性
5.1 压电效应及压电材料
石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优 良的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。 他们都具有较大的压电常数，机械性能良好， 时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是 较理想的压电材料。
点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定
性和机械强度都不如石英。
压电材料介绍 压电材料应具备以下几个主要特性： ①转换性能。要求具有较大的压电常数。 ②机械性能。机械强度高、刚度大。 ③电性能。高电阻率和大介电常数。
④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高
的居里点，获得较宽的工作温度范围。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以
采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极
化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温
度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性 减弱。
最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（ BaTiO3 ）。它 是由碳酸钡和二氧化钛按1∶1摩尔分子比例混合后烧 结而成的。它的压电系数约为石英的 50 倍， 但居里
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 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，
向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度， 当外电场去掉后，电畴的极化方向基本没变化，即剩
对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴 的平面上任何直线都可作为 x 或 y 轴，在是和石英晶体 的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在 垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量 Q与作用力Fz成正比，即
Q d33 F
式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数； F——作用力。
5.1 压电效应及压电材料
压电材料的主要特性参数有：
（1） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱
（2） 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着 压电器件的固有频率和动态特性。 （3） 介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件， 其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着 压电传感器的频率下限。 (4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－ F
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋ F
正（顺）压电效应示意图
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”。 逆压电效应
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。
5.1 压电效应及压电材料
若从晶体上沿y方向切下一块如下图所示晶片，当 在电轴方向施加作用力 Fx时，在与电轴x垂直的平 面上将产生电荷Qx，其大小为
Qy d12 Fy
x
Fx
x
Fx
+
x Fy +
+
-
+
(a)
+
-
+
-
+ x
+
+ (b)
+
+
+
-
-
+
Fy
+
-
+
-
+
+
+
-
+ + ( c)
( d)
石英晶体受力方向与电荷极性关系
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，产生的电荷是与几何尺寸
第5章 压电式传感器
1
2
5.1 5.2 5.3
压电效应及压电材料 压电式传感器的等效电路 压电式传感器的测量电路
3
4
5.4
压电式传感器的应用
概述
压电式传感器的工作原理是基于某些介质 材料的压电效应，是典型的有源传感器。 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有 电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频 带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等 特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动 的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方 面都得到了非常广泛的应用。
+ x - P1 P3 + x + + P2 + + - (b) Fx<0
当晶体受到沿x方向的拉力（Fx ＞0）作用时，其变化情 况如图5-3（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 y Fx (P1 +P2 +P3) x<0 Fx + + (P1+ P2+ P3)y =0 + P3 - x P1 + (P1 +P2 +P3)z =0 P2 +
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，可以把将其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wk.baidu.com于
六棱柱体的棱面)称为机械轴。
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
x
当晶体受到沿x方向的压力（F x < 0）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5-3（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: y (P1+P2+P3)x>0 +F F x
在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0
（2）压电陶瓷 压电陶瓷主要有以下几种： 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。
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷 片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离 变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由 电荷，而出现放电现象。 F 当压力撤消后，陶瓷片 - - - - - － ＋＋＋＋＋ 恢复原状，极化强度也 极化方向 变大，因此电极上又吸 - - - - ＋＋＋＋＋ ＋ 附一部分自由电荷而出 现充电现象。 正压电效应示意图 ——正压电效应
余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。
电场 方向
(a)
(b)
图5-4 压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化
陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来， 即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚 电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸 附了一层来自外界 自由电荷 电极 - - - - 的自由电荷。这些自由 ＋＋＋＋＋ 电荷与陶瓷片内的束缚 极化方向 - - - - - 束缚电荷 电荷符号相反而数量相 ＋＋＋＋＋ 等，它屏蔽和抵消了陶 电极 陶瓷片内束缚电荷与电极 瓷片内极化强度对外界 上吸附的自由电荷示意图 的作用。
+ + (c) Fx>0
在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。
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5-3（b）相似；当Fy ＜0时， 则与图5-3（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。
有关的；
③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 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。
5.1.2 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，