压电式传感器的国内外现状及发展趋势

逆压电效应 若对上述电介质施加电场作用时， 若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正 负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且应变ε 、负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且应变 与外电场强度E成正比 如图2-1(b) 成正比， 与外电场强度 成正比，如图 ε=dtE 式中d 逆压电常数矩阵 式中 t—逆压电常数矩阵 这种现象称为逆压电效应
第二阶段：到了 ～ 年代中期 出现了IEPE 年代中期， 第二阶段：到了80～90年代中期，出现了 (InElectronics Piezoelectricity)传感器， 传感器， 传感器 也被称为低阻抗电压输出传感器， 也被称为低阻抗电压输出传感器，它主要解决了 压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题。 压电信号以高阻抗传输带来的一系列问题。 第三阶段： 年代中期至今 年代中期至今， 第三阶段：90年代中期至今，即插即用智能 TEDS混合模式接口传感器。 混合模式接口传感器。 混合模式接口传感器
图2-3 压电式传感器等效电路
压电
PDVF压电 传感
传感
应
压电 加 传感
PDVF压电式传感器
1.PDVF压电薄膜 压电薄膜 压电方程
D i = d ip T p + ε ij T E ij
T是应力，E是电场强度，D是 是应力， 是电场强度 是电场强度， 是 是应力 电位移， 电位移，εT是介电常数矩阵的 转置矩阵，d是压电应变常数 转置矩阵，d是压电应变常数 矩阵， 矩阵，i,j=l、2、3，P=1、2 、3、4、5、6。 PVDF拉伸极化后具有 拉伸极化后具有4mm点 拉伸极化后具有 点 群的对称性。常选取x轴为拉 群的对称性。常选取 轴为拉 伸方向， 轴垂直于膜面平行 伸方向，z轴垂直于膜面平行 于极化方向， 轴右手定则选 于极化方向，Y轴右手定则选 如图3-1所示。 所示。 取，如图 所示
Y (1 − v f 2 ) v f Y (1 − v f 2 ) 0 0 [c ] = v f Y (1 − v f 2 ) Y (1 − v f 2 ) 0 0 Y 2(1 + v f )
式中：上标 表示在薄膜的坐标系， 是薄膜杨氏模量 是薄膜杨氏模量， 式中：上标“‫”׳‬表示在薄膜的坐标系，Y是薄膜杨氏模量， 表示在薄膜的坐标系 vf是薄膜的泊松比，S是应变，[c] 是弹性刚度矩阵。 是薄膜的泊松比， 是应变 是应变， 是弹性刚度矩阵。
论
础
压电
应
压电
压电 电
正压电效应和负压电效应
正压电效应 在电介质的一定方向上施加机械力作用而产生变形时， 在电介质的一定方向上施加机械力作用而产生变形时，就 会引起电介质内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化 从而导致其两个相对表面(极化面 极化面)上出现符号相反的束 、从而导致其两个相对表面 极化面 上出现符号相反的束 缚电荷，如图2-1(a)所示。 所示。 缚电荷，如图 所示 其电位移D(在MKS单位制中即为电荷密度 单位制中即为电荷密度Q)与外应力张 其电位移D(在MKS单位制中即为电荷密度Q)与外应力张 量F成正比 成正比 D = dF或Q = dF 或 式中d—压电常数 式中 压电常数 当外力消失后，电介质又恢复为不带电状态， 当外力消失后，电介质又恢复为不带电状态，当外力方向 改变时其电荷极性随之改变， 改变时其电荷极性随之改变，这种现象物理学上称为正压 电效应，或简称压电效应。 电效应，或简称压电效应。
图2-1 压电效应
压电方程
压电元件受力时，在相应表面产生电荷， 压电元件受力时，在相应表面产生电荷，力与电荷之间的 关系为
Q = d⋅F
压电系数， 式中 d —压电系数，单位为 压电系数 单位为C／N 压电系数d的物理意义是 的物理意义是： 短路条件”下 压电系数 的物理意义是：在“短路条件 下，单位应力 短路条件 所产生的电荷密度。 短路条件 短路条件”是指压电元件的表面电 所产生的电荷密度。“短路条件 是指压电元件的表面电 荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“ 荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“二 次效应”的理想条件。 次效应”的理想条件。
是板的厚度， 其中 Zk=(hs+hp)/2，hs是板的厚度，hp是PVDF压电薄 压电薄 膜的厚度。上标“T”表示矩阵转置。 表示矩阵转置。 膜的厚度。上标 表示矩阵转置 把上式代入PDVF压电模的压电方程得其中 压电模的压电方程得其中E=0， 把上式代入 压电模的压电方程得其中 ，
∂u 0 ∂x ∂v T 0 d3′6′ ][Tm(θ ) ] [C ][Tm(θ )] + Zk ∂y ∂u ∂v 0 + 0 ∂y ∂x ∂2 w − 2 ∂x ∂2 w − 2 ∂y ∂2w −2 ∂x∂y
发展趋势 在我国压电传感器的研究与应用明显落后于世界 先进水平。 先进水平。当我们正在致力于经典传感器的开发 研制及其推广应用， 、研制及其推广应用，以力求缩小与发达国家之 间的差距之时，信息技术的飞速发展， 间的差距之时，信息技术的飞速发展，又在该领 域结提出了新的课题、新的任务和新的方向， 域结提出了新的课题、新的任务和新的方向，这 就是智能传感器的发展。 就是智能传感器的发展。 智能传感器的发展是信息技术、 智能传感器的发展是信息技术、知识经济在这一 发展的必然产物和自然趋势。 发展的必然产物和自然趋势。
式中： 式中：m=cosθ，n=sinθ，[Tm(θ)] —转换矩阵 转换矩阵 再经过一些列的坐标变换我们可以得到下式
∂2w ∂u0 − 2 ∂x ∂x T1 2 T = Tm(θ ) T C Tm(θ ) ∂v0 + Z Tm(θ ) T C Tm(θ ) − ∂ w ] [ ][ ] ] [ ][ ] k[ 2 [ ∂y ∂y 2 T3 ∂2w ∂u0 ∂v0 + −2 ∂y ∂x ∂x∂y
2.1 PDVF压电薄膜制作传感器的理论基础 当将PVDF压电薄膜贴在薄板上时，板的坐标轴 压电薄膜贴在薄板上时，板的坐标轴X 当将 压电薄膜贴在薄板上时 的方向与薄膜的拉伸方向之间的夹角为θ， 的方向与薄膜的拉伸方向之间的夹角为 ，这里 我们称θ叫偏转角 叫偏转角， 轴的方向它们是一致的 轴的方向它们是一致的， 我们称 叫偏转角，Z轴的方向它们是一致的，如 所示。 图3-2所示。 所示
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压电式传感器的国内外现状及发展趋势
姓名：项文聪 学号：2006080224 专业：信号与信息处理 指导教师：迟宗涛
Contents
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绪论 论 础 压电 传感 应
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绪论
压电式传感 器的特点及 发展历程
压电 传感 发 趋势
特点 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它以 某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转 换原理，压电晶体是机电转化元件， 换原理，压电晶体是机电转化元件，它可以测量最 终转化为电的那些非电学物理量。例如力、压力、 终转化为电的那些非电学物理量。例如力、压力、 加速度等。 加速度等。 压电式传感器具有灵敏度高、使用频带宽、 压电式传感器具有灵敏度高、使用频带宽、信噪比 结构简量轻、工作可靠等优点。 高、结构简量轻、工作可靠等优点。 发展历程（分为三个阶段） 发展历程（分为三个阶段） 第一个阶段是60～ 年代 年代， 第一个阶段是 ～70年代，传感器以电荷输出为 主，测量系统包括压电传感器和以电荷放大器为主 的信号适调装置。 的信号适调装置。
图3-1 PDVF压电薄膜示意图
其压电常数矩阵为
0 d= 0 d31
0 0 d32
0 0 d33
0 d 24 0
d15 0 0
0 0 0
2. PDVF压电传感器的设计 压电传感器的设计 本文以经典梁(欧拉一伯努利梁 为对象，建立模型， 欧拉一伯努利梁)为对象 本文以经典梁 欧拉一伯努利梁 为对象，建立模型，根据 梁的振动响应的特性，利用PVDF压电薄膜的积分特性，设 压电薄膜的积分特性， 梁的振动响应的特性，利用 压电薄膜的积分特性 计出正弦形状和余弦形状传感器，并推导出在远场， 计出正弦形状和余弦形状传感器，并推导出在远场，简谐波 情况下， 情况下，正弦形状和余弦形状传感器可以测量振动梁的可以 测量位移、角位移、速度、加速度、应变、应力、弯矩、 测量位移、角位移、速度、加速度、应变、应力、弯矩、剪 力。
图2-2 压电元件等效电路
等效电容为
C a = εs δt = ε r ε 0 δt
式中: 式中 ε—压电材料介电常数 压电材料介电常数 εr —压电材料相对介电常数 压电材料相对介电常数 ε0—真空介电常数 真空介电常数 s—极板面积 极板面积 δ—电荷面密度 电荷面密度 t—压电元件厚度 压电元件厚度 等效电容器两极板间的电压为 Ua=Q/Ca 式中:Q--两极板间的电荷量 式中 两极板间的电荷量
D3 = [ d3′1′
d3′2′
根据高斯定律(Guass’s Law)，电场内任意一表面的自由 根据高斯定律 电场内任意一表面的自由 电荷为
q(t ) = ∫∫ e D3dxdy
压电等效电路
当压电式传感器的压电敏感元件受力后， 当压电式传感器的压电敏感元件受力后，便在压电元件一 定方向的两个表面上分别产生正、负电荷， 定方向的两个表面上分别产生正、负电荷，因此可以把压 电传感器视为一个电荷源，其电荷等效电路如图2-2(a) 电传感器视为一个电荷源，其电荷等效电路如图 所示；同理当压电元件的表面聚集同性的正、负电荷时， 所示；同理当压电元件的表面聚集同性的正、负电荷时， 则也可以将它视为一个电容器， 则也可以将它视为一个电容器，压电元件的电容器等效电 路如图2-2(b)所示。 所示。 路如图 所示