2014-03-25'传感器与检测技术-07物性传感器-压电(李荣冰)

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1 压电效应及压电材料
1 2 压电材料 1.2
压电材料一般分三类：压电晶体（天然单晶体，如石英晶体）、压电陶瓷 （人工多晶体，如钛酸钡）、高分子压电材料（如聚偏二氟乙烯PVF2）
1. 压电晶体
（ 1 ） 石 英 晶 体 （ SiO2 ） ， 天 然 单 晶 体 ， 人 工 石 英 晶 体 的 压 电 系 数 d11=2.31×10-11C/N，温度稳定性好，在20～200℃范围内，温度每升高 1℃，压电常数仅减小0.016%，400℃时也只减小5%。但当温度超过500℃ 时压电常数急剧下降，在573℃（居里点）丧失压电特性。电阻>1012 ， 耐湿（0-100%）。价格高，用于高精度传感器中。 （2）水溶性压电晶体（酒石酸钾钠） 电阻率低，机械强度低，易受潮，适用于室温和温度低的环境。
1880 年 曾 与 其 兄 雅 克 斯 · 居 里 (Jacques Curie,1855～1941)一 形变时，内部会产生极化 极化现象，同时其两个表面会产 起发现了压电效应 起发现了压电效应。
当时皮埃尔 · 居里年仅 21 岁。后来 态 这种现象称为压电效应皮埃尔·居里继续研究晶体，取得不 态，这种现象称为压电效应。 少成果，继而研究磁学， 1895 年 发现了以他的名字命名的居里点。 电介质物质 又称为绝缘介质 可分为天然和人工合成两种 电介质物质：又称为绝缘介质，可分为天然和人工合成两种，电 电 这时已成为法国著名实验物理学家。
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1 压电效应及压电材料
压电体自发极化的方向不同，但在一个小区域内， 压电体自发极化的方向不同，但在 个小区域内， 各晶胞的自发极化方向相同，这个小区域即称为 电畴
2. 压电陶瓷（ 压电陶瓷（人工晶体
压电陶瓷是一种人工制造的多晶体压电材料。具有电畴结构，电畴分子 自发形成，区域有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用 时电畴的极化效应互相抵消，整体呈中性。 要使压电陶瓷具有压电效应，必须对其进行极化处理（类似铁磁材料的 极化过程），在一定温度下对压电陶瓷施加强电场，电场方向与压电陶瓷极 化方向一致（Z轴）。经极化处理后，压电陶瓷存在很强的剩余极化强度(平 均不为零 )，受外力作用时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，因而出 现极化电荷的变化，从而呈现压电效应。
2 压电传感器测量电路
2.1 压电式传感器的等效电路
压电元件受外力作用时，会在该元件一定方向的两个表面上产生电荷，一 面为正，一面为负。因此可将其视为一个静电荷发生器。另外，由于其两 表面聚集有电荷，它也是一个电容器，其容量为Ca：
Ca
常数。 )
r 0 A
d
其中，d为压电片的厚度，A为压电片的面积，
r
为压电材料的相对介电
因此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源与一个电容器的 并联电路。
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2 压电传感器测量电路
电容器上电压、电荷量以及电容之间的关系为：
U q Ca Ua C
压电传感器又可以视为一个电压源和一个电容串联的等效电路
以上讨论是假设传感器为空载的情况，实际情况下需要考虑负载情况。
x ，产生
Q xx d11 Fx 或者电荷密度 q xx ，与应力 成比例。即：q xx x
Fx d11 d11 xx l b
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6 1 压电效应及压电材料 6.1
d11表示压电系数（C/N），与受力方向和 变形方式有关。石英晶体在x方向承受机械 应力时的压电常数： d11=2.31×10-12C/N Fx
3. 聚偏二氟乙烯（PVF2）（高分子压电材料）
高分子聚合物经延展拉伸、电场极化后制成高分子压电薄膜。高分子化合物中加 压电陶瓷粉末制成高分子压电陶瓷薄膜。在超声、水声探测方面应用很广 。
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பைடு நூலகம்
1 压电效应及压电材料
Yongrae Roh，Kyungpook National University Daegu, Korea. Piezoelectric Sensors. http://sstl.cee.illinois.edu/apss/files/21-Piezoelectric%20Sensors.pdf 21
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2 压电传感器测量电路
当 阻抗Ri、输入电容Ci、电缆电容Cc及传感器自身的绝缘电阻 Ra的影响。其等效电路变为：
RL 或与测试电路相连接后，必须考虑放大器的输入
电压源
电缆
电压放大器
电荷源
电缆
电荷放大器
压电式传感器的实际等效测量电路
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2 压电传感器测量电路
由于单片压电元件信号小，常采用两片或多片以上 压电元件组合在一起使用。压电元件是有极性的，使 用时常采用传感器并联或串联使用法。 用时常采用传感器并联或串联使用法 对于串联： Qa Q Ua 2U C C1 / 2 对于并联 C C1 C 2 对于并联： Ua U
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1 压电效应及压电材料
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1 压电效应及压电材料
几种常见的压电陶瓷材料： （1）钛酸钡：压电常数高，d11=107×10-11C/N，居里点115℃，机械强度不 如石英。 （2）锆钛酸铅（PZT），d11=200～500×10-12C/N，居里点Tc=300℃，各项 机电参数随温度和时间变化较小，目前常用的材料之一。 （3）铌酸盐系列。居里点高，介电常数低，性能稳定。适用于高频环境下 （10～40M），常用于水声传感器。 （4）铌镁酸铝（PMN），d11=800～900×10-12C/N，居里点高Tc=1200℃，最 高工作温度可达760℃。可作为非冷却型高温压电式传感器。
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1 压电效应及压电材料
当沿x轴方向受压时，晶体沿x方向产生压 缩变形，正 负离子的相对位置随之变动， 缩变形，正、负离子的相对位置随之变动， 正、负电荷的重心不再重合。 在x轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。 而在y轴和z轴方向的分量均为零。 而在y轴和z轴方向的分量均为零 若受拉力，电荷极性则相反， 轴（电轴） 若受拉力，电荷极性则相反，x轴（电轴） 的这种现象，称为纵向压电效应 纵向压电效应。
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1 压电效应及压电材料
偶极子：大小相等、符号相反的两 个电荷（＋q和－ 和 q）组成的体系。 ）组成的体系 偶极长：极性分子中，正电荷重心 与负电荷重心之间的距离，实际就 是核间距。 电偶极距 极性分子偶极子 端电 电偶极距：极性分子偶极子一端电 荷与偶极长的乘积。电偶极距的方 向为负电荷指向正电荷。
r R
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1 压电效应及压电材料
（2）压电效应
如果将石英晶体（SiO2）硅离子和氧离子的排列投影在垂 直于晶体Z轴的平面上，则呈正六边形排列。“”代表正 离子 Si 4 ， ，“Θ ”代表负离子 代表负离子 2O 2 。 石英晶体不受力时，正、负离子正好 离 分布在正六边形的顶角上，形成三个互 成120度的电偶极距，此时正、负电荷 重心重合，从总体上看不显电场，石英 晶体呈电中性。
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压电式传感器
•压电效应及压电材料 •压电式传感器测量电路 •压电式传感器的应用
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1 压电效应及压电材料
1.1 压电效应
压电现象是居里（pierre curie ） 研究石英时发现的 。 皮埃尔·居里是巴黎大学教授， 某些电介质物质 在沿一定方向上受到外力作用而 某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力作用而
压电效应。
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1 压电效应及压电材料
石英晶体 水晶， 石英晶体（水晶 水晶，主要成分SiO2，天然单晶体材料 ） （1）结构特点： 具有规则的几何形状(m与m夹角60度，m与R面以及m与r 面夹角38度13分)，内部对称结构，有三个晶轴。通过光学 方法确定为： Z轴： 轴：纵向轴，称为光轴，Z轴方向没有压电效应。 X轴： 轴：经过晶体棱线垂直于光轴的为x轴， x轴称为电轴。沿该方向施加外力，垂直于此轴的 棱面上的压电效应最为明显。 Y轴： 轴：垂直于X-Z平面的轴为Y轴，沿X或Y轴施 加机械力（拉、压），Y轴方向不产生压电效应， 但在电场作用下 沿此轴的机械形变最明显 Y轴 但在电场作用下，沿此轴的机械形变最明显。 又名机械轴。
相反地，当在电介质的极化方向施加电场，它会产生机 械形变 当电场除去后 其形变也消失 这种现象称为 械形变，当电场除去后，其形变也消失。这种现象称为 逆压电效应 。 顺压电效应 —— 机械能转变为电能的现象。 逆压电效应 —— 电能转变为机械能的现象。也称电致 伸缩效应 具有压电效应的电介质物质称为压电材料 压电材料能 具有压电效应的电介质物质称为压电材料。压电材料能 实现机械能和电能的相互转换。现以石英晶体为例说明
生异性电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电的状
介质在电场作用下会发生极化、介质损耗和击穿等物理现象。 极化现象：晶体受力作用后，正负电荷重心不重合，一端带正电， 极化现象：晶体受力作用后，正负电荷重心不重合， 端带正电， 另一端带负电的现象。
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Piezoelectric sensor
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1、压电效应及压电材料 压电效应及压电材料
Qa 2Q
串联适合以电压输出的场合，但要求测量电路输入阻 抗高;并联适合测试低频信号和以电荷输出的场合 抗高;并联适合测试低频信号和以电荷输出的场合。
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2 压电传感器测量电路
dij下标中i表示电荷面的轴向(i=1,2,3)，j表示施加力的轴向：“1”对应 x轴，“2”对应y轴，“3”对应z轴。4,5,6分别表示晶体在垂直于X、Y、 Z轴的平面（即yz平面、zx平面、xy平面）上承受剪切应力。 例： d11表示x轴方向受压力作用， x轴表面出现电荷， d12表示： y 轴 方向受机械应力，x轴表面出现电荷。 根据石英晶体的对称条件，有d12=-d11 由于z轴（光轴方向）受应力时不产生电荷，即有：d13=0 14
关于压电系数的说明：
1 压电效应及压电材料
当在石英晶片的x轴施加机械应力时，产生的电荷正比于作用 力 而与晶片的几何尺寸无关 力，而与晶片的几何尺寸无关。 当在石英晶片的y轴施加机械应力时，产生的电荷正比于作用 力，与晶片的几何尺寸有关。
石英晶片上电荷极性与受力方向的关系图
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1 压电效应及压电材料
传感器与检测技术
李 荣
2014年3月
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冰
Email: lrbing@nuaa.edu.cn 南京航空航天大学导航研究中心
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压电式传感器
压电式传感器是以某些物质的压电效应为基础的一种发电式传 感器，是一种典型的有源传感器. 某些晶体或电介质材料受到外力作用时 在其表面会产生电荷 某些晶体或电介质材料受到外力作用时，在其表面会产生电荷， 从而实现将某些非电量转为电量的目的。 优点:使用频率范围宽、高频响应好/灵敏度高、信噪比大，结构 简单、工作可靠、重量轻等。 应用领域：广泛用于超声、通讯、宇航、雷达、结构监测等领域。
压 常数与受力状 压电常数与受力状态、变形方式相关，将机械能转换 变形 相 ，将 械能转换 为电能的四种基本方式：
①厚度变形。通过d11产生x方向的纵向压电效应。 ②长度变形 通过 ②长度变形。通过d12产生y方向的横向压电效应。 产生y方向的横向压电效应 ③面剪切变形。晶体受剪切面与产生电荷的面共面。 ④厚度剪 ④厚度剪切形变。晶体受剪切面与产生电荷的面不共面。 变 体受剪 与产生电荷的
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1 压电效应及压电材料
（3）压电常数和表面电荷的计算 从石英晶体上沿轴线切下一片平行六面 片 体－－晶体切片，它的晶面分别平行于 x y z轴 。如图所示，l和b分别为石 x、y、z轴 如图所示 l和b分别为石 Fx 英晶片的长和宽
当沿x轴的方向施加一压力Fx时，晶片将受到压缩应力
厚度应度，在垂直x轴平面上产生电荷 Qxx ，并与压力成比例：
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1 压电效应及压电材料
当沿y轴方向受压时，类同在x轴方向 当沿 轴方向受压时 类同在 轴方向 受拉。 在x轴的晶体表面出现电荷，而在垂 直于y轴的表面上没有电荷。这种现 象称为横向压电效应 横向压电效应 横向压电效应。 在沿z轴方向受力（无论是拉力或压力），晶体在x方 在沿z轴方向受力（无论是拉力或压力） 晶体在x方 向和y方向的变形相同，正六边形形状不变，正负离 子电荷重心保持重合 晶体不产生压电效应 子电荷重心保持重合，晶体不产生压电效应。