第9次课 压电式传感器

第 9次课 2 学时注：本页为每次课教案首页6 压电式传感器压电式传感器是利用某些物质的压电效应，将力转换为相应的电信号。

它是一种典型的有源传感器(或称为发电型传感器)。

压电传感元件是力敏感元件，它能测量最终转换为力的那些物理量，例如，力、压力、加速度等。

这种传感器由于其固有频率极高，因而适用于动态参量的测量。

此外，它还具有频带响应宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单等优点，在工业、生物医学、国防科技等众多领域中得到广泛应用。

6.1压电效应某些晶体物质，当沿一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，在它们的表面会产生电荷；当外力除去后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为“顺压电效压”。

反之，当在这些物质的极化方向上施加电场时，这些晶体物质也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”。

压电式传感器就是利用了物质的“顺压电效应”，通常均简称压电效应。

具有压电效应的物质很多，单晶体有石英、酒石酸钾钠、电气石等；多晶体则有钛酸钡、锆钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等。

多晶压电晶体又称压电陶瓷，是人工制造的压电材料。

此外，近十几年还发展了有机高分子单晶或多晶聚合物。

不同的压电材料，其产生压电效应的物理机理是不完全相同的。

下面以石英和压电陶瓷为例解释压电效应产生的原因。

6.1.1石英晶体的压电效应石英晶体成正六边形棱柱体，如图6-1所示。

棱柱为基本组织，如图6-1a所示。

有三个互相垂直的晶轴，通过晶体两顶端的轴线称为光轴（z轴），与光轴垂直且通过晶体横截面多边形各条边垂直的三条轴线称为机械轴（y轴）。

x轴称为电轴。

图6-1 石英晶体结构及压电效应a) 石英晶体结构b) x轴施加压力c) x轴施加拉伸力d）y轴施加压力e) y轴施加拉伸力图6-2 垂直于电轴x切割的石英晶体切片在正常情况下，晶格上的正、负电荷中心重合，表面呈电中性。

当在x轴向施加压力时，如图6-1b而B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。

当在x轴向施加拉伸力时，如图6-1c所示，晶格上的粒子均沿x轴向外产生位移，但硅离子和氧离子向外位移大，正负电荷中心拉开，B面呈现负电荷，A面呈现正电荷。

在Y方向施加压力时，如图6-1d所示，晶格离子沿Y轴被向内压缩，A面呈现正电荷，B面呈现负电荷。

沿Y轴施加拉伸力时，如图6-1e所示，晶格离子在Y向被拉长，x向缩短，B面呈现正电荷，A面呈现负电荷。

通常把沿电轴x方向作用产生电荷的现象称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y方向作用产生电荷的现象称为“横向压电效应”。

在光轴z方向加力时不产生压电效应。

从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片”。

图6-2所示是垂直于电轴x切割的石英片，长为a、宽为b、高为c。

在与x轴垂直的两面覆以金属。

沿x方向施加作用力F x时，在与电轴垂直的表面上产生电荷Q xx为（6-1）式中，d11为石英晶体的纵向压电系数(2.3×10-12 C/N)。

在覆以金属极面间产生的电压为（6-2）式中，C x为晶体覆以金属极面间的电容。

如果在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力F y时，则在与x轴垂直的平面上产生电荷为（6-3）式（6-3）中，d12为石英晶体的横向压电系数。

根据石英晶体的轴对称条件可得d12＝－d11，所以（6-4）产生电压为（6-5）6.1.2压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。

电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。

在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们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。

图6-3(a)表示钛酸钡压电陶瓷未极化时的电畴分布情况。

6-3 钛酸钡压电陶瓷电畴结构为了使压电陶瓷具有压电效应，必须在一定温度下通过强电场的作用，对其做极化处理，经处理后，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场的方向排列；从而使材料得到极化，如图6-3(b)所示。

极化处理之后，陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化，这样在陶瓷材料极化的两端就出现束缚电荷，一端为正电荷，另一端为负电荷；此束缚电荷吸引了一层来自外界的数量相等符号相反的自由电荷，因此其对外不呈现极性。

当在极化方向上施加压力时，压电陶瓷有微小缩短，使已极化的电畴又有所转向，电场极化强度发生变化，使两极板上电荷数量发生变化，这就是压电陶瓷的压电效应。

有机高分子单晶或多晶聚合物产生压电效应的机理更为复杂，篇幅所限，不予赘述，可参阅有关专著。

压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。

当压电陶瓷极化处理后，陶瓷材料内部存有很强的剩余场极化。

当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化，产生了压电效应。

经极化处理的压电陶瓷具有非常高的压电系数，约为石英的几百倍，但机械强度比石英差。

当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（z向）的作用力F z时（即作用力垂直于极化面），如图6-4a所示，则在两个镀银（或金）的极化面上分别出现正负电荷，电荷量Q zz与力F z成比例，即（6-6）式中，d zz为压电陶瓷的纵向压电系数。

输出电压为（6-7）式中，C z为压电陶瓷片电容。

当沿x轴方向施加作用力F x时，如图6-4b所示，在镀银极化面上产生电荷Q zx为图6-4 压电陶瓷的压电效应a）z向施力b）x向施力（6-8）（6-9）上两式中的d z1、d z2是压电陶瓷在横向力作用时的压电系数，且均为负值。

由于极化压电陶瓷平面各向同性，所以d z2＝d z1。

式（6-8）和式（6-9）中S z、S x、S y是分别垂直于z轴、x轴、y轴的晶片面积。

另外，用电量除以晶片的电容C z可得输出电压。

6.1.3压电材料压电材料分类如下：⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧ , 2压电橡胶有机压电材料－如压电多晶－压电陶瓷其它压电单晶石英晶体压电单晶压电材料PVF 在自然界中已发现的有32种晶体的晶格结构属于对称类型，其中约有20种左右具有压电效应。

具有压电效应的晶体统称为压电晶体。

目前，国内外压电传感器中应用最普遍的压电材料是各类压电陶瓷和压电单晶体中的石英晶体。

具有压电效应的材料不少，但并不是都能用于制造压电传感器。

在选用压电材料时须注意满足以下性能要求：①转换性能：压电常数较大，可得到较高的灵敏度。

②电性能：电阻率较高，介电常数较大，这样可减小外部分布电容的影响，且有较好的低频特性。

③机械性能：希望强度高，刚度大，这样可获得宽的线性范围，且动态特性好。

④温度稳定性：希望居里点较高，这样可使工作温度范围宽。

⑤时间稳定性：压电特性不随时间变化。

能基本满足上述条件的压电材料有多种，一般可分为3类：①天然百英晶体；②压电陶瓷，如钦酸钡等；③高分子压电材料，其主要材料有聚偏二氟乙烯、聚氟乙烯等。

由于各类材料产生压电效应的机理不同，其性能上亦有较大差异。

表4-1列出了几种常用压电材料的性能表。

表示压电材料主要特性的参数有：①压电常数：表示电荷与作用力之间关系，直接影响压电输出灵敏度。

②介电常数：对于确定尺寸的压电元件，此参数影响固有电容值。

③居里点：压电材料在此温度时，它的压电性能被破坏。

此外，还有弹性模量、密度等。

石英的稳定性极高，机械强度高，绝缘性能也很好r 但石英的压电常数比其他材料小，且价格较贵。

一般用于制作标准传感器，或要求较高的场合。

压电陶瓷的压电常数一般比石英高几百倍，所以这类材料虽然机械强度和居里点不及石英；但由于其价廉、灵敏度高而被广泛采用。

高分子压电材料是一种柔软的压电材料。

它不易破碎、稳定性好、频带宽、具有防水性，且易加工；可以制成5Pm~lmm 厚度不等、形状不同的大面积挠性模；适于做大面积的传感陈列器件。

因此它在一些特殊用途的传感器中得到应用。

近年来，又出现了一系列性能优异的人工压电材料。

它们在某些单项指标上都超过了石英的水平，同时又在很大程度上避免了传统人工材料的缺点，为压电传感器性能的改进开拓了新的途径。

6.2压电传感器的工作原理6.2.1工作原理虽然不同压电材料产生压电效应的机理是不同的，但是对所有压电材料来说，所加外力与晶面产生电荷量的关系式却是类似的，此即压电式传感器所依据的基本原理。

下面以石英为例来说明这种关系。

在外力作用下，晶面产生电荷的多少常用极化强度J 来表示，极化强度是指压电晶体片表面的电荷密度。

实验表明，极化强度与晶体的变形成正比，在弹性极限内与压强成正比。

比例系数称为压电系数。

若在x 轴方向施加力F x ，则极化强度为J =d 11·P x = d 11·xx S F （6-10） 式中 d 11——纵向压电系数，在x 轴方向单位力产生的电荷量(色/N)；P x ——作用在面积氏上的总压力；S x ——被作用的面积。

根据极化强度的定义，在表面上产生的电荷为q =J ·S x = d 11·xx S F ·S x = d 11·F x （6-11） 显然，纵向压电效应使晶面产生的电荷量与外力成正比，而与尺寸无关。

若沿y 轴方向施加力F y ，则极化强度为J = d 12·P y ·= d 12·y yS F式中 d 12——横向压电系数，在川轴方向单位力产生的电荷量(C/N)，d 12= d 11；S y ——被作用的面积。

那么，在S x 面上产生的电荷量应为q =J ·S x = d 12·ab F y （6-12） 式中 a ，b ——晶体的长度和厚度。

此时的电荷量不但与作用力的大小有关，而且也与尺寸有关。

当尺寸确定后，它也与外力成正比。

由式(6-11)和式（6-12)可见，当压电晶片受到外力作用时，产生的电荷量与外力成正比。

在外力相同时，对于同一尺寸的晶片，从不同方向加力，其电荷量的多少是不一样的。

这就是压电传感器所依据的工作原理。

6.2.3压电式传感器的结构压电测力传感器的结构通常为荷重垫圈式。

图6-5所示为YDS-781型压电式单向传感器结构，它由底座、传力上盖、片式电极、石英晶片、绝缘件及电极引出插座等组成。

当外力作用时，上盖将力传递到石英晶片，石英晶片实现力一电转换，电信号由电极传送到插座后输出。

图6-5 YDS －781型压电式单向力传感器结构1- 传力上盖 2-压电片 3-片式电极 4-电极引出插头 5-绝缘材料 6-底座2-6.2.2压电式传感器的输出压电式传感器的核心元件就是压电晶片。

在压电晶片的两面均放有一个极板，晶片受力后，一个极板上聚集正电荷，另一个极板上聚集负电荷，电荷量大小相等，极性相反。

由于压电晶片的绝缘电阻很高，因而压电传感器等效电路相当于一个电容器，可以把压电传感器等效为一个与电容相并联的电荷源，其电容量为C 0=d S x⋅ε式中 S x ——极板的面积，即压电晶片的面积；d ——极板间的距离，即晶片的厚度；ε——压电晶体的介电常数。