第6章 压电式传感器v2

• 锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）： 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。是目前压电式传感器中应用最广泛的 压电材料。
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压电陶瓷外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
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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的自由电荷。
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一、石英晶体：
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形
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石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
. 双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡电 路中工作时，压电 效应与逆压电效应 交替作用，从而产 生稳定的振荡输出 频率。
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• 6.1石英晶体的压电效应
• 石英晶体具有如图6.1所示的规则的
• 晶体受到y（即机械轴）方向的力Fy作用时，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。
晶体受到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，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。
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需要指出的是：上述讨论均假设晶体沿X轴和Y轴方向受 到了压力。当晶体沿X轴和Y轴方向受到拉力作用时，同样有 压电效应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极 性与受力方向的关系如下图所示。
(P1 +P2 +P3) x<0 (P1+ P2+ P3)y =0
+ +
P1
P3
+ +
- P2 +
-x -
(P1 +P2 +P3)z =0
(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。
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.
• 当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx作用时，在x方向 产生正压电效应，而y、z方向不产生压电效应。
这些自由电荷与陶瓷片内 的束缚电荷符号相反而 数量相等，它屏蔽和抵 消了陶瓷片内极化强度 对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
-
极化方向 ----
束缚电荷
＋＋＋＋＋
电极
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸
附的自由电荷示意图 .
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
几何形状，它是一个六棱柱，两端是六
棱锥。石英晶体是各向异性体，即在各
个方向晶体性Z质是不同的。Z
Z
l
X
X
Y
Y
w
l
X
Y
(a) 天然晶体
(b) 晶体切片
图6..1 石英晶体
在结晶学中，将石英晶体的结构用三根互相垂直的轴来表
示，其中纵向轴Z称为光轴，经过六棱柱棱线并垂直于光轴的
X轴称为电轴，与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于棱面）
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，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种
由于电效应而转变为机
械效应，或者由电能转 变为机械能的现象，就 是压电陶瓷的逆压电效应。 Ｅ
-----
＋＋＋＋＋
电
极化方向 场 ----- 方
• 优点：尺寸小，重量轻，工作频率宽，可 测量最终能变换为力的那些非电物理量， 例如动态力（一般必须高于100Hz） 、动 态压力、振动加速度等，但不能用于静态 参数的测量。
受力、表面形变
压电器件
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电荷
6.1 压电效应与压电材料
• （正）压电效应：某些电介质，当沿一定方向
受到外力作用而变形时，内部产生极化现象，
• 优点：是一种柔软的压电材料，可根据需要 制成薄膜或电缆套管等形状。不易破碎，具 有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面 积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
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• 其工作温度一般低于100 ℃，温度升高时，灵敏度将 降低；
• 它的机械强度不够高，耐紫外线能力较差，不宜暴晒， 以免老化。
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• 在压电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 场方向。
电电场场 方方向向
(a)(a)
((bb))
.
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常用的压电陶瓷材料：
• 非铅系列压电陶瓷（如钛酸钡BaTiO3）： 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 ） 。 但 居 里 点 温 度 低 （120℃），温度稳定性和机械强度不如石 英晶体。
X FX ＋＋＋＋
Y －－－－
X FX －－－－
Y ＋＋＋＋
X
－－－－ FY Y
＋＋＋＋
X
＋＋＋＋ FY
Y －－－－
(a)
(b)
(c)
(d)
图6.2 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系 (a) X轴方向受压力；（b） X轴方向受拉力； （c） Y轴方向受压力；（. d） Y轴方向受拉力
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结论：
• （1）晶体在某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。
• （2）无论是正压电效应还是逆压电效应， 其作用力与电荷之间呈线性关系。
• （3）晶体具有各向异性特点，并不是在任 何方向都存在压电效应。
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• 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：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。
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。当压
力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大，
因此电极上又吸附一部 分自由电荷而出现充电 现象。
F ----- －
＋＋＋＋＋
——正压电效应。
极化方向 ----＋＋＋＋＋ ＋
正压电效应示意图
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若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的
压电陶瓷
人造多晶体 钛酸钡、锆钛酸 压电系数高 d33=190×10-11C/N 钡、铌酸盐系 品种多、性能各异
新型压电 压电半导体
材料
压电特性 半导体特性
集成压电传感器
有机高分子
质轻柔软、抗拉强度高、
压电材料
机电耦合系数高
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6.2 压电式传感器的测量电路
• 压电元件的串联与并联
在实际应用中，由于单片的输出电荷 很小，因此，组成压电式传感器的晶片 不止一片，常常将两片或两片以上的晶 片粘结在一起。粘结的方法有两种，即 并联和串联。
涡街流量计
.
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迈克尔逊干涉仪
.
.
心率测量
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喇叭点亮LED灯
.
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第6章 压电式传感器
6.1 压电效应与压电材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用
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• 压电式传感器是一种典型的发电传感器， 它以某些电介质的压电效应为基础，在外 力作用下，在电介质的表面上产生电荷， 从而实现非电量电测的目的。
称为机械轴。
Z
Z
l
X Y
Y w l
) 天然晶体
(b) 晶体切片
.
居里点573℃ 六角晶系结构
光轴
电轴
机械轴
Fy
qx d11Fx ——纵向压电效应
Fx
qy
d12aFyd11aFy
b
b
—— 横向压电效应
沿z轴方向受力不产生压电效应 .
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。图中“＋”代表硅离子Si4+， “－”代 表氧离子O2-
• PVDF的应用很广泛。利用它的拉伸或弯曲压电效应， 可以做成扬声器、耳机和微音器等；利用它的声阻抗 与人体组织的声阻抗十分接近的特性，可以做成脉搏 计、血压计、起搏器和胎心探测器等；利用它的声阻 抗与水的声阻抗很接近的特性，可以做成探测水下物 体的传感器；利用其柔软、灵敏度高的特性，可以做 大面积的传感器阵列器件，如人造皮肤等。
同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷；
当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种
将机械能转换为电场能的现象称为压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改
变。
F
F
－＋－＋－＋－＋－＋ F
－＋ －＋ －＋ －＋ －＋
.
F
• 逆压电效应/电致伸缩效应:当在电介质的极化 方向施加电场，电介质在一定方向上产生机 械变形，内部出现机械应力，外加电场撤去 后，这些变形和应力也随之消失，这种将电 能转换为机械能的现象称为逆压电效应/电致 伸缩效应。
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高分子压电薄膜及拉制
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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压电式脚踏报警器
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常用压电材料
类别 材料 成分
单晶体、水晶
石英晶体 （人造、天然） SiO2
特性
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定
承受压力 700-1000Kg/cm2
.
（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它具有类似 铁磁材料磁畴结构的电畴结构。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，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。
它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较 低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用 压电陶瓷 。
(a) Fx=0
所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。
.
（2）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，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:
(P1+P2+P3)x >0
y
在y、z方向上的分量为:
(P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0
Fx - - + + Fx
- + P1 P3 - + x
-
P2
+
- - ++
(b) Fx<0
.
（3）当晶体受到沿x方向的拉力（Fx ＞0）作用
时z三，个P方1增向大上，的P分2、量为P3减小，F+此x 时它- 们y在+ x、F- yx 、
.
• 压电材料/压电元件： 具有压电效应的电介质
• 常见的压电材料有：
–石英晶体 – 经过极化处理的压电陶瓷 – 高分子压电材料
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压电材料的主要特性参数
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
这些自由电荷与陶瓷片内 的束缚电荷符号相反而 数量相等，它屏蔽和抵 消了陶瓷片内极化强度 对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
-
极化方向 ----
束缚电荷
＋＋＋＋＋
电极
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸
附的自由电荷示意图 .
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的自由电荷。
电能
逆压电效应 正压电效应
机械能
.
石英晶体的压电效应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
.
• 将超声波（机械振动波）转换成电信号是 利用压电材料的___ __；蜂鸣器中发出 “嘀……嘀……”声的压电片发声原理是 利用压电材料的___ ___。
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串联 ：
＋
+
＋ ＋＋ ＋
+
－ －－ －
－
－
－ (b)串联
＋＋＋＋＋ 向
逆压电效应示意图
.
z +Fz+ + +
----
x
Fz
（a）纵向变形
z
y Fy - - - -
++++
x Fx
y Fy
（b）横向变形
z Fz
Fy + + + +
----
x Fx Fz
y Fy
（c）体积变形
图5-12 压电陶瓷的变形方式
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（三）高分子压电材料
• 典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改 性聚氯乙烯（PVC）等。
y
-
+
x
ห้องสมุดไป่ตู้
+
-
-
+
.
（1）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。
P = qL（q为电荷量，L为
y
正负电荷之间的距离），此时 - +
正负电荷中心重合，电偶极矩 的矢量和等于零，即
P1+P2+P3＝0
+ P1 P3 - x
P2 -+
.
并联：
＋＋ ＋＋
+
＋
＋ ＋ ＋ ＋－
－
－
＋
+
+
＋＋ ＋＋
－－－ － －
(a)并联
－
q 2 q ； U (a) U ； C 2 C (b)
特点：两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上， 正电荷集中在两侧的电极上；传感器的电容量大、 输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适 用于测量缓变信号及电荷量输出信号。