第6章压电式传感器原理及其应用

2. 压电陶瓷的压电效应 为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。 为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。 极化处理就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场 直流电场）， （如100～170℃，20～30kV/cm直流电场），电 ～ ℃ ～ 直流电场），电 畴的极化方向发生转动， 畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排 从而使材料得到极化， 列，从而使材料得到极化，这个方向就是压电陶瓷 的极化方向，经过2～ 个小时 个小时， 的极化方向，经过 ～3个小时，压电陶瓷就具备压 电性能了。 电性能了。 外电场愈强，就有更多的电畴转向外电场方向。 外电场愈强，就有更多的电畴转向外电场方向。让 外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度， 外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即 所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时， 所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时， 若去掉外电场，电畴的极化方向基本保持不变， 若去掉外电场，电畴的极化方向基本保持不变，其 内部仍会存在很强的剩余极化强度， 内部仍会存在很强的剩余极化强度，压电陶瓷就具 有了压电特性。 有了压电特性。
2. 压电陶瓷的压电效应 若压电陶瓷受到外力作用，电畴界限会发生移动， 若压电陶瓷受到外力作用，电畴界限会发生移动， 电畴发生偏转，引起剩余极化强度发生变化，从而 电畴发生偏转，引起剩余极化强度发生变化， 在垂直于极化方向的平面上将出现电荷的变化。 在垂直于极化方向的平面上将出现电荷的变化。 这种因受力而产生的将机械能转变为电能的现象， 这种因受力而产生的将机械能转变为电能的现象， 就是压电陶瓷的正压电效应。 就是压电陶瓷的正压电效应。压电陶瓷的极化过程 和铁磁物质的磁化过程非常相似，如图6-4所示 所示。 和铁磁物质的磁化过程非常相似，如图 所示。
当石英晶体受到沿Z轴方向的力作用时， 当石英晶体受到沿 轴方向的力作用时，无论是压缩 轴方向的力作用时 应力，还是拉伸应力，都不会产生压电效应. 应力，还是拉伸应力，都不会产生压电效应 因此不会有电荷产生。但压电晶体除了有纵向和横 因此不会有电荷产生。 向压电效应外，在切向应力作用下也会产生电荷。 向压电效应外，在切向应力作用下也会产生电荷。
6.1 压电效应和压电材料
6.1.1 压电效应 某些电介质物质， 某些电介质物质，在沿着一定方向上受到外力的作 用而变形时，内部产生极化现象， 用而变形时，内部产生极化现象，同时在它的相应 表面上会产生极性相反的电荷； 表面上会产生极性相反的电荷； 当外力撤消后，又重新回到不带电的状态；当作用 当外力撤消后，又重新回到不带电的状态； 力改变方向时，电荷的极性也随之改变， 力改变方向时，电荷的极性也随之改变，这种将机 械能转化为电能的现象称为正压电效应， 械能转化为电能的现象称为正压电效应，又称为顺 压电效应。 压电效应。 压电效应所产生的电荷量与施加的外力大小成正比， 压电效应所产生的电荷量与施加的外力大小成正比， 其压电方程为： 其压电方程为：
石英晶体上电荷极性与受力方向的关系
压电效应作用力的方向不同时，其电荷的极性也不 压电效应作用力的方向不同时， 一样，如图6 所示。 一样，如图6-3所示。
（a）X轴向受压力 （b）X轴向受拉力 （c）Y轴向受压力 （d）Y轴向受拉力 ） 轴向受压力 ） 轴向受拉力 ） 轴向受压力 ） 轴向受拉力
图6-3 石英晶体上电荷极性与受力方向的关系
（a）不受力时 ）
（b）X轴向受力时 ） 轴向受力时 （c）Y轴向受力时 ） 轴向受力时 图6-2 石英晶体的压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体的压电效应 当石英晶体未受作用力时， 当石英晶体未受作用力时，正、负离子对称分布在 正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角电偶极 正六边形的顶角上，形成三个互成120° 120 它们之间的相互作用力矢量和等于零， 矩，它们之间的相互作用力矢量和等于零，整个晶 体对外呈现电中性。 体对外呈现电中性。 当沿X轴方向施加压力作用时，晶体沿X 当沿X轴方向施加压力作用时，晶体沿X轴方向产生 压缩形变，并出现极化现象， 压缩形变，并出现极化现象，正负离子的相对位置 发生变动，如图6 所示。 发生变动，如图6-2（b）所示。 此时，正负电荷的重心不再重合，会在YZ YZ平面上产 此时，正负电荷的重心不再重合，会在YZ平面上产 生电荷， 轴的正方向出现正电荷， 生电荷，在X轴的正方向出现正电荷，在X轴的负方 向出现负电荷。 向出现负电荷。 反之，若是施加拉力作用， 反之，若是施加拉力作用，则出现的电荷极性方向 相反， 轴的正方向出现负电荷， 相反，即X轴的正方向出现负电荷，X轴的负方向出 现正电荷。例如在石英晶体中，下标1对应X 现正电荷。例如在石英晶体中，下标1对应X轴，2对 对应Z 应Y轴，3对应Z轴。
6.1.1 压电效应 相反地， 相反地，在电介质物质的极化方向上施加电 它会产生机械变形，当外加电场撤消时， 场，它会产生机械变形，当外加电场撤消时， 电介质的变形也随之消失， 电介质的变形也随之消失，这种将电能转化 为机械能的现象称为逆压电效应，又称为电 为机械能的现象称为逆压电效应，又称为电 致伸缩效应。 致伸缩效应。 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应， 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应， 即压电效应是可逆的。 即压电效应是可逆的。 具有压电效应的电介质物质称为压电材料。 具有压电效应的电介质物质称为压电材料。 压电材料有很多种，如石英（二氧化硅） 压电材料有很多种，如石英（二氧化硅）是 性能良好的天然压电晶体，钛酸钡、 性能良好的天然压电晶体，钛酸钡、锆钛酸 铅等系列压电陶瓷也具有很好的压电功能。 铅等系列压电陶瓷也具有很好的压电功能。
6.1.2 压电材料
压电材料的种类很多， 压电材料的种类很多，从取材方面可分为天然的和 人工合成的，有无机的和有机的。 人工合成的，有无机的和有机的。 目前应用于压电式传感器中的压电材料大致可分为 三类：一类是压电晶体（属单晶体）， ），它包括石英 三类：一类是压电晶体（属单晶体），它包括石英 晶体和其它压电单晶；另一类是压电陶瓷（ 晶体和其它压电单晶；另一类是压电陶瓷（属多晶 半导瓷），如钛酸钡（ ），如钛酸钡 ）、锆钛酸铅 半导瓷），如钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT） ）、锆钛酸铅（ ） 等； 第三类是新型压电材料， 第三类是新型压电材料，主要有压电半导体和高分 子压电材料两种，已经有良好的应用前景。 子压电材料两种，已经有良好的应用前景。
1.石英晶体的压电效应 石英晶体的压电效应 当同一晶片受到沿y轴方向上的力作用时， 当同一晶片受到沿y轴方向上的力作用时，同样会产 生极化现象，电荷仍然产生在垂直于x轴的表面上， 生极化现象，电荷仍然产生在垂直于x轴的表面上， 如图6 所示。 如图6-2（c）所示。 综上所述，无论沿X轴方向，还是沿Y 综上所述，无论沿X轴方向，还是沿Y轴方向对石英 晶体施加作用力时，都会产生压电效应。沿电轴X 晶体施加作用力时，都会产生压电效应。沿电轴X方 向施加力而产生电荷的压电效应称为纵向压电效应， 向施加力而产生电荷的压电效应称为纵向压电效应， 沿机械轴Y 沿机械轴Y方向施加力而产生电荷的压电效应称为横 向压电效应。 向压电效应。
（a）极化前 ）
（b）极化 ） （c）极化后 ） 图6-4 压电陶瓷的极化
2. 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷的极化方向通常取Z轴方向， 压电陶瓷的极化方向通常取Z轴方向，这是它的对 称轴。 称轴。 当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（ 轴方向） 当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z轴方向） 的均匀分布的力作用时， 的均匀分布的力作用时，它的两个极化面上分别出 现正、负电荷，如图6 所示。 现正、负电荷，如图6-5（a）所示。
2. 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷是一种常见的压电材料。 压电陶瓷是一种常见的压电材料。压电陶瓷与单晶 体的石英晶体不同，它是人工制造的多晶体材料。 体的石英晶体不同，它是人工制造的多晶体材料。 压电陶瓷在没有极化之前不具有压电现象， 压电陶瓷在没有极化之前不具有压电现象，在被极 化后才有压电效应，并具有非常高的压电常数， 化后才有压电效应，并具有非常高的压电常数，是 石英晶体的几百倍。 石英晶体的几百倍。 压电陶瓷是具有电畴结构的多晶体压电材料， 压电陶瓷是具有电畴结构的多晶体压电材料，其内 部的晶粒有许多自发极化的电畴， 部的晶粒有许多自发极化的电畴，它们是分子自发 形成的区域，有一定的极化方向，从而存在Leabharlann Baidu场。 形成的区域，有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中无规则排列， 在无外电场作用时，电畴在晶体中无规则排列，它 们各自的极化效应相互抵消， 们各自的极化效应相互抵消，压电陶瓷内极化强度 为零。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性， 为零。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具 有压电性质。 有压电性质。
1.石英晶体的压电效应 石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶体， 石英晶体是最常用的压电晶体，天然的结构具有规 则的几何形状，其理想外形是一个正六面体，如图 则的几何形状，其理想外形是一个正六面体， 所示。 6-1（a）所示。 石英晶体的结构可用三条相互垂直的晶轴来表示， 石英晶体的结构可用三条相互垂直的晶轴来表示， 如图6 所示，纵向的Z轴是过锥形顶端的轴线， 如图6-1（b）所示，纵向的Z轴是过锥形顶端的轴线， 称为光轴；经过六面体的棱线且垂直于Z轴的为X 称为光轴；经过六面体的棱线且垂直于Z轴的为X轴， 称为电轴；垂直于六面体的棱面且与X轴和Z 称为电轴；垂直于六面体的棱面且与X轴和Z轴同时 垂直的Y轴称为机械轴。 垂直的Y轴称为机械轴。
第6章 压电式传感器原理及其应用 章
6.1 压电效应和压电材料 6.2 压电元件的常用结构 6.3 压电式传感器等效电路和测量电路 6.4 压电式传感器的应用
压电式传感器概述
压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 它是一种电量型传感器。 它是一种电量型传感器。 工作原理:以某些电介质的压电效应为基础 以某些电介质的压电效应为基础， 工作原理 以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， M 从而实现力—电信号转换 再通过检测电荷量（ 电信号转换， 从而实现力 电信号转换，再通过检测电荷量（或 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 压电元件是一种典型的力敏感元件， 压电元件是一种典型的力敏感元件，可用来测量最 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 加速度等。由于压电元件具有体积小、重量轻、 加速度等。由于压电元件具有体积小、重量轻、结 构简单、可靠性高、频带宽、 构简单、可靠性高、频带宽、灵敏度和信噪比高等 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 在声学、力学、 在声学、力学、医学和航空航天等领域都得到了广 泛应用。其缺点是无静态输出， 泛应用。其缺点是无静态输出，要求有很高的输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。
图6-1 石英晶体结构图
1.石英晶体的压电效应 石英晶体的压电效应 在晶体上沿Y轴线切下一块平行六面体晶块 如图6轴线切下一块平行六面体晶块， 在晶体上沿 轴线切下一块平行六面体晶块，如图 1（c）所示。 （ ）所示。 石英晶体的化学分子式为SiO2，每一个晶格单元中 石英晶体的化学分子式为 ， 有三个硅离子和六个氧离子，硅离子和氧离子交替 有三个硅离子和六个氧离子， 排列，它们在XY平面上的投影为正六边形，如图6排列，它们在 平面上的投影为正六边形，如图 平面上的投影为正六边形 2（a）所示。 （ ）所示。