電式傳感器概述

1、 壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（或發(fā)電型壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器（或發(fā)電型傳感器）。它是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外傳感器）。它是以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電力作用下，在電介質(zhì)的表面上產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。同時(shí)，它又是一種可逆型換能器，常用作超聲量測(cè)量。同時(shí)，它又是一種可逆型換能器，常用作超聲波發(fā)射與接收裝置。波發(fā)射與接收裝置。 壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測(cè)量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。 壓

2、電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著與之配套的二次儀表以及低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感低噪聲、小電容、高絕緣電阻電纜的出現(xiàn)，使壓電傳感器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石器的使用更為方便。因此，在工程力學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、石油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣油勘探、聲波測(cè)井、電聲學(xué)等許多技術(shù)領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。泛的應(yīng)用。 壓電式傳感器

3、壓電式傳感器 一、壓電效應(yīng)一、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，對(duì)其施力而使它變形時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的同時(shí)在它的一定表面一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性也隨著改變。極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化極化方向方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向一定方

4、向上產(chǎn)生機(jī)械變上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。隨之消失的現(xiàn)象。電能電能機(jī)械能機(jī)械能正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)二、壓電材料二、壓電材料種類種類：n壓電晶體，如石英等；壓電晶體，如石英等；n壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；n壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。 對(duì)壓電材料特性要求：對(duì)壓電材料特性要求： 轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。 機(jī)械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)機(jī)械性能。壓電元件作為受力

5、元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有械強(qiáng)度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率。振動(dòng)頻率。 電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減電性能。希望具有高電阻率和大介電常數(shù)，以減弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。 時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。 類類 別別 材材 料料 成成 分分 特特 性性 石石

6、英英晶晶體體 單單晶晶體體、水水晶晶 （人人造造、 天天然然） SiO2 d11=2.3110-12C/N， 壓壓電電系系數(shù)數(shù)穩(wěn)穩(wěn)定定，固固有有頻頻率率穩(wěn)穩(wěn)定定 承承受受壓壓力力700-1000Kg/cm2 壓壓電電陶陶瓷瓷 人人造造多多晶晶體體 鈦鈦酸酸鋇鋇、鋯鋯鈦鈦酸酸鋇鋇、鈮鈮酸酸鹽鹽系系 壓壓電電系系數(shù)數(shù)高高d33=19010-11C/N 品品種種多多、性性能能各各異異 新新型型壓壓電電材材料料 壓壓電電半半導(dǎo)導(dǎo)體體 壓壓電電特特性性 半半導(dǎo)導(dǎo)體體特特性性 集集成成壓壓電電傳傳感感器器 有有機(jī)機(jī)高高分分子子 壓壓電電材材料料 質(zhì)質(zhì)輕輕柔柔軟軟、抗抗拉拉強(qiáng)強(qiáng)度度高高、 機(jī)機(jī)電電耦耦合合系

7、系數(shù)數(shù)高高 （一）石英晶體（一）石英晶體 石英（石英（SiO2）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。）是一種具有良好壓電特性的壓電晶體。其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范其介電常數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)好，在常溫范圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。圍內(nèi)這兩個(gè)參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。 由圖可見(jiàn)，在由圖可見(jiàn)，在20200范圍內(nèi)，溫度每升高范圍內(nèi)，溫度每升高1，壓電系數(shù)僅減少壓電系數(shù)僅減少0.016。但是當(dāng)?shù)?。但是?dāng)?shù)?76時(shí)，它完全失時(shí)，它完全失去了壓電特性，這就是它的去了壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)居里點(diǎn)。 1.000.990.980.970.960.9520406

8、080 100 120 140 160 180 200dt/d20斜率：0.016/t石英的d11系數(shù)系數(shù)相對(duì)于20的d11溫度變化特性6543210100 200 300400 500 600t/相對(duì)介電常數(shù)居里點(diǎn)石英在高溫下相對(duì)介電常數(shù)相對(duì)介電常數(shù)的溫度特性石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體的壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個(gè)正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來(lái)表示，其中縱向軸ZZ稱為稱為光軸光軸；經(jīng)過(guò)正六面體棱線，并垂直于光軸的；經(jīng)過(guò)正六面體棱線，并垂直于光軸的XX軸稱為軸稱為電軸電軸；與；

9、與XX軸和軸和ZZ軸同時(shí)垂直的軸同時(shí)垂直的YY軸軸（垂直于正六面體的棱面）稱為（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸機(jī)械軸。ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形 (b)坐標(biāo)系ZYX通常把沿電軸通常把沿電軸XX方向方向的力作用下產(chǎn)生電荷的的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)稱為“縱向壓縱向壓電效應(yīng)電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械，而把沿機(jī)械軸軸YY方向的力作用下方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸沿光軸ZZ方向受力則方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。l石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學(xué)式為SiO2。 l定義：x：兩平行柱面內(nèi)夾角等

10、分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)。稱為電軸。 y ：垂直于平行柱面，在電場(chǎng)作用下變形最大，稱為機(jī)械軸。z ：無(wú)壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。 石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性非常穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂能也相當(dāng)好。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器標(biāo)準(zhǔn)儀器或或要求較高的傳感器中。要求較高的傳感器中。 因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶因?yàn)槭⑹且环N各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電片，其物理性質(zhì)（如彈

11、性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)為了在設(shè)計(jì)石英傳感器時(shí)，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片不同使用要求正確地選擇石英片的切型。的切型。 在在X軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的軸方向施加壓力時(shí)，左旋石英晶體的X軸正向軸正向帶正電；如果作用力帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于改為拉力，則在垂直于X軸的平軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見(jiàn)圖面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見(jiàn)圖( (a) )、( (b) )。 FXFX+ + + + + +(a)(b)XX 如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)械軸的方向，其如果在同一晶片上作用力是沿著機(jī)

12、械軸的方向，其電荷仍在與電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見(jiàn)圖（軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見(jiàn)圖（c）、）、（d）+ + + + + + +(c)(d)FYFYXX由上述可知：由上述可知： 無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系； 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；一定存在逆壓電效應(yīng)； 石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。 （二）（二） 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

13、 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì)，是人工制造的多晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。晶壓電材料，它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu)。電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域，它有一定的極化方向，從而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶而存在一定的電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見(jiàn)圖（的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零，見(jiàn)圖（a）。）。 直流電場(chǎng)E剩余極化強(qiáng)度剩余伸長(zhǎng)電場(chǎng)作用下的伸長(zhǎng)

14、(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后 但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)但是，當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個(gè)電極上進(jìn)行測(cè)量時(shí)，卻無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘眨瑓s無(wú)法測(cè)出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強(qiáng)度。這是因?yàn)樘沾善瑑?nèi)的極化強(qiáng)度總是以瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束層來(lái)自外界的自由電荷。

15、這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。所以電壓表不能測(cè)出陶瓷片內(nèi)的極化程度，如圖。內(nèi)的極化程度，如圖。 自由電荷束縛電荷電極電極極化方向陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖 如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、如圖，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變（圖中虛線），片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。因此，負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化

16、強(qiáng)度也變小。因此，原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出原來(lái)吸附在電極上的自由電荷，有一部分被釋放，而出現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀現(xiàn)放電荷現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀( (這是這是一個(gè)膨脹過(guò)程一個(gè)膨脹過(guò)程) )，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿默F(xiàn)象，就是正壓電效應(yīng)。 極化方向正壓電效應(yīng)

17、示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）F 同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，同樣，若在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，如圖，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電如圖，由于電場(chǎng)的方向與極化強(qiáng)度的方向相同，所以電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。這時(shí)，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生電荷之間距離也增大，就是說(shuō)，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與伸長(zhǎng)形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這極化方向相反，則陶瓷

18、片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖（實(shí)線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況） 極化方向電場(chǎng)方向 由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶由此可見(jiàn)，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化工序處理。這些自發(fā)極化經(jīng)過(guò)極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強(qiáng)度。如果外界的作用（如壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)外界的作用（如

19、壓力或電場(chǎng)的作用）能使此極化強(qiáng)度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電縛電荷不能自由移動(dòng)。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上現(xiàn)象，是通過(guò)陶瓷內(nèi)部極化強(qiáng)度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。自由電荷的釋放或補(bǔ)充的結(jié)果。Fdq33（二）（二） 壓電陶瓷壓電陶瓷 1 1、 鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 鈦酸鋇（鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（）

20、是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化和二氧化鈦（鈦（TiO2）按）按1：1分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。分子比例在高溫下合成的壓電陶瓷。 它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石它具有很高的介電常數(shù)和較大的壓電系數(shù)（約為石英晶體的英晶體的50倍）。不足之處是居里溫度低（倍）。不足之處是居里溫度低（120），），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。2 2、 鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT） 鋯鈦酸鉛是由鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和和PbZrO3組成的固溶體組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里。它與鈦酸鋇相比，壓電系

21、數(shù)更大，居里溫度在溫度在300以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間以上，各項(xiàng)機(jī)電參數(shù)受溫度影響小，時(shí)間穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量穩(wěn)定性好。此外，在鋯鈦酸中添加一種或兩種其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的的PZT材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳材料。因此鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷是目前壓電式傳感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。感器中應(yīng)用最廣泛的壓電材料。 4、壓電半導(dǎo)體材料、壓電半導(dǎo)體材料 如如ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe，這種力敏器件具有靈，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用敏度高

22、，響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。此外用ZnO作為表面聲波作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。振蕩器的壓電材料，可測(cè)取力和溫度等參數(shù)。3 3、壓電聚合物、壓電聚合物 聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強(qiáng)的的聚合物薄膜聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看，這種合成高分子薄膜就其對(duì)稱性來(lái)看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的在抵消不了的偶極子偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直

23、方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶自發(fā)極化偶極子極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場(chǎng)極化后，就可以成為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并為具有壓電性能的高分子薄膜。這種薄膜有可撓性，并容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、容易制成大面積壓電元件。這種元件耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電穩(wěn)定性好、頻帶寬。為提高其壓電性能還可以摻入壓電陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料( (PVF2PZT) )。 三、三、 壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路（一）等效電路（一）等效電路 當(dāng)壓電傳感器中的

24、壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測(cè)機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。可把壓電傳感器看成一個(gè)荷。可把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器靜電發(fā)生器，如圖，如圖( (a) )。也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器電容器，如圖，如圖( (b) )。其電容量為。其電容量為 qq電極壓電晶體Ca(b)(a) 壓電傳感器的等效電路tStSCra0當(dāng)兩極板聚集異性電荷當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為的電壓

25、，其大小為aaCqU 因此，壓電傳感器可等因此，壓電傳感器可等效為電壓源效為電壓源Ua和一個(gè)電和一個(gè)電容器容器Ca的的串聯(lián)串聯(lián)電路，如電路，如圖圖(a)；也可等效為一個(gè)；也可等效為一個(gè)電荷源電荷源q和一個(gè)電容器和一個(gè)電容器Ca的的并聯(lián)并聯(lián)電路，如圖電路，如圖(b)。 qCaUaUaq/ Caq UaCaCa（a）電壓等效電路 （b）電荷等效電路壓電傳感器等效原理傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)傳感器內(nèi)部信號(hào)電荷無(wú)“漏損漏損”，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，外電路負(fù)載無(wú)窮大時(shí)，壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存，否壓電傳感器受力后產(chǎn)生的電壓或電荷才能長(zhǎng)期保存，否則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)

26、標(biāo)則電路將以某時(shí)間常數(shù)按指數(shù)規(guī)律放電。這對(duì)于靜態(tài)標(biāo)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)定以及低頻準(zhǔn)靜態(tài)測(cè)量極為不利，必然帶來(lái)誤差。事實(shí)上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能上，傳感器內(nèi)部不可能沒(méi)有泄漏，外電路負(fù)載也不可能無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電無(wú)窮大，只有外力以較高頻率不斷地作用，傳感器的電荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。荷才能得以補(bǔ)充，因此，壓電晶體不適合于靜態(tài)測(cè)量。如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí)如果用導(dǎo)線將壓電傳感器和測(cè)量?jī)x器連接時(shí),則應(yīng)考慮則應(yīng)考慮連線的等效電容連線的等效電容,前置放大器的輸入電阻、輸入電容。前置放大器

27、的輸入電阻、輸入電容。CaRaCcRiCiq壓電傳感器的壓電傳感器的完整等效電路完整等效電路Ca傳感器的固有電容傳感器的固有電容Ci 前置放大器輸入電容前置放大器輸入電容 Cc 連線電容連線電容Ra傳感器的漏電阻傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻前置放大器輸入電阻可見(jiàn)，壓電傳感器的絕緣電阻可見(jiàn)，壓電傳感器的絕緣電阻Ra與前置放大器的輸入電與前置放大器的輸入電阻阻Ri相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或相并聯(lián)。為保證傳感器和測(cè)試系統(tǒng)有一定的低頻或準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，要求壓電傳感器絕緣電阻應(yīng)保待在1013以以上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的

28、要上，才能使內(nèi)部電荷泄漏減少到滿足一般測(cè)試精度的要求。與上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦求。與上相適應(yīng)，測(cè)試系統(tǒng)則應(yīng)有較大的時(shí)間常數(shù)，亦即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信即前置放大器要有相當(dāng)高的輸入阻抗，否則傳感器的信號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。號(hào)電荷將通過(guò)輸入電路泄漏，即產(chǎn)生測(cè)量誤差。 （二）（二） 測(cè)量電路測(cè)量電路 壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：壓電式傳感器的前置放大器有兩個(gè)作用：u把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出把壓電式傳感器的高輸出阻變換成低阻抗輸出；u放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)放大壓電式傳感器輸出的弱信號(hào)。 前置放大器形式：前置放

29、大器形式：u電壓放大器電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出，其輸出電壓與輸入電壓（傳感器的輸出電壓）成正比；電壓）成正比；u電荷放大器電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 l壓電式傳感器的特點(diǎn)：高阻抗，低能量。l接入高輸入阻抗前置放大器的作用：把傳感器的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗。l壓電式傳感器的輸出可以是電壓信號(hào)，也可以是電荷信號(hào)。電壓放大器電荷放大器1、電壓放大器、電壓放大器AACaCaRaRiCiCcCRUiUSCUSCUa(a)(b)Ua 2 2、電荷放大器、電荷放大器 電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器，電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)

30、反饋的高增益放大器，其基本電路如圖。若放大器的開(kāi)環(huán)增益其基本電路如圖。若放大器的開(kāi)環(huán)增益A0足夠大，并且足夠大，并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒(méi)有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回路運(yùn)算電流僅流入反饋回路CF與與RF。A0CaUUSC電荷放大器原理電路圖iRaqCFRF實(shí)際的電荷放大器由電實(shí)際的電荷放大器由電荷轉(zhuǎn)換級(jí)、適調(diào)放大級(jí)、荷轉(zhuǎn)換級(jí)、適調(diào)放大級(jí)、低通濾波級(jí)、電壓放大低通濾波級(jí)、電壓放大級(jí)、過(guò)載指示電路和功級(jí)、過(guò)載指示電路和功率放大級(jí)率放大級(jí)6部分組成。部分組成。根據(jù)上式畫(huà)出等效電路圖根據(jù)上式畫(huà)出等效電路圖A0CaRaRCUSCUqC

31、F、RF等效到等效到A0的輸入端時(shí)，電容的輸入端時(shí)，電容CF將增大將增大( (1A0) )倍。倍。電導(dǎo)電導(dǎo)1RF也增大了也增大了( (1A0) )倍。所以圖中倍。所以圖中C=( (1A0) )CF；1/ /R=( (1A0) )1RF，這就是所謂，這就是所謂“密勒效應(yīng)密勒效應(yīng)”的結(jié)果。的結(jié)果。ffCqUU0ficeCACCCAqU)1 (0fCqfCqUK10)(21cecHCCRfffLCRf21UUqqCC,2,2UUqqCC2,21l并聯(lián)接法，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并聯(lián)接法，輸出電荷大，時(shí)間常數(shù)大，宜用于測(cè)量緩變信號(hào)，并且適用于以電荷作為輸出量的場(chǎng)合。并且適用于以電

32、荷作為輸出量的場(chǎng)合。l串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出串聯(lián)接法，輸出電壓大，本身電容小，適用于以電壓作為輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合。dSCeeCQU 四、壓電式傳感器的應(yīng)用四、壓電式傳感器的應(yīng)用（一）壓電式加速度傳感器（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計(jì)（三）壓電式流量計(jì)（四）集成壓電式傳感器（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來(lái)水管道測(cè)漏中的應(yīng)用（五）壓電式傳感器在自來(lái)水管道測(cè)漏中的應(yīng)用 當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)被測(cè)體質(zhì)量當(dāng)傳感器感受振動(dòng)時(shí)，因?yàn)橘|(zhì)量塊相對(duì)

33、被測(cè)體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動(dòng)，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力到與加速度方向相反的慣性力，此力Fma。同時(shí)慣性。同時(shí)慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為 運(yùn)動(dòng)方向21345縱向效應(yīng)型加速度縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖傳感器的截面圖（一）（一） 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種?？v向效應(yīng)是最常見(jiàn)的是最常見(jiàn)的, ,如圖。壓電陶瓷如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)和質(zhì)量塊量塊2為環(huán)型，通過(guò)螺母為環(huán)

34、型，通過(guò)螺母3對(duì)質(zhì)量塊對(duì)質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測(cè)量時(shí)將傳感器基座測(cè)量時(shí)將傳感器基座5與被測(cè)對(duì)象與被測(cè)對(duì)象牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電牢牢地緊固在一起。輸出信號(hào)由電極極1引出。引出。qd33Fd33ma此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與此式表明電荷量直接反映加速度大小。其靈敏度與壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳壓電材料壓電系數(shù)和質(zhì)量塊質(zhì)量有關(guān)。為了提高傳感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。感器靈敏度，一般選擇壓電系數(shù)大的壓電陶瓷片。若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低振若增加質(zhì)量塊質(zhì)量會(huì)影響被測(cè)振動(dòng)，同時(shí)會(huì)降低

35、振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來(lái)動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來(lái)提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用提高傳感器靈敏度。此外用增加壓電片數(shù)目和采用合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。合理的連接方法也可提高傳感器靈敏度。 madFdqCdmaCqUmaF ma（二）（二） 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 根據(jù)使用要求不同，壓電式測(cè)壓傳感器有各種不同的結(jié)構(gòu)形式。但它們的基本原理相同。 壓電式測(cè)壓傳感器的原理簡(jiǎn)圖。它由引線1、殼體2、基座3、壓電晶片4、受壓膜片5及導(dǎo)電片6組成。當(dāng)膜片5受到壓力P作用后，則在壓電晶片上產(chǎn)生電荷。在一個(gè)壓電片上所產(chǎn)生的電荷q為 SPd

36、Fdq1111F作用于壓電片上的力；d11壓電系數(shù)；P壓強(qiáng)， ；S膜片的有效面積。SFP 123456p壓電式測(cè)壓傳感器原理圖壓電式測(cè)壓傳感器原理圖Fdq11SPF 測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力測(cè)壓傳感器的輸入量為壓力P，如果傳感器只由一，如果傳感器只由一個(gè)壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有：個(gè)壓電晶片組成，則根據(jù)靈敏度的定義有： PqkqPUku0Sdkq1100CqU 011CSdku因?yàn)橐驗(yàn)?，所以電壓靈敏度也可表示為，所以電壓靈敏度也可表示為 U0壓電片輸出電壓；壓電片輸出電壓；C0壓電片等效電容壓電片等效電容電荷靈敏度電荷靈敏度電壓靈敏度電壓靈敏度電荷靈敏度電荷靈敏度（三）（三） 壓電式

37、流量計(jì)壓電式流量計(jì)利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。利用超聲波在順流方向和逆流方向的傳播速度進(jìn)行測(cè)量。其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用其測(cè)量裝置是在管外設(shè)置兩個(gè)相隔一定距離的收發(fā)兩用壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間壓電超聲換能器，每隔一段時(shí)間( (如如1/ /100s) )，發(fā)射和接，發(fā)射和接收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相收互換一次。在順流和逆流的情況下，發(fā)射和接收的相位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速。流位差與流速成正比。據(jù)這個(gè)關(guān)系，可精確測(cè)定流速。流速與管道橫截面積的乘積等于流量。速與管道橫截面積的乘積等于流量。 流量顯示1789輸出

38、信號(hào)換能器換能器接收接收發(fā)射發(fā)射壓電式流量計(jì)此流量計(jì)可測(cè)量各種液體此流量計(jì)可測(cè)量各種液體的流速，中壓和低壓氣體的流速，中壓和低壓氣體的流速，不受該流體的導(dǎo)的流速，不受該流體的導(dǎo)電率、粘度、密度、腐蝕電率、粘度、密度、腐蝕性以及成分的影響。其準(zhǔn)性以及成分的影響。其準(zhǔn)確度可達(dá)確度可達(dá)0.5%，有的可，有的可達(dá)到達(dá)到0.01%。根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深根據(jù)發(fā)射和接收的相位差隨海洋深度深度的變化，測(cè)量聲速隨深度的分布情況度的變化，測(cè)量聲速隨深度的分布情況（四）集成壓電式傳感器 是一種高性能、低成本動(dòng)態(tài)微壓傳感器，產(chǎn)品采用壓電薄膜作為換能材料，動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)通過(guò)薄膜變成電荷量，再經(jīng)傳感器內(nèi)部放大電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。該傳感器具有靈敏度高，抗過(guò)載及沖擊能力強(qiáng)，抗干擾性好，操作簡(jiǎn)便，體積小、重量輕、成本低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)控制、交通、安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。 脈搏計(jì)照片 典型應(yīng)用： 脈搏計(jì)數(shù)探測(cè) 按鍵鍵盤(pán)，觸摸鍵盤(pán) 振動(dòng)、沖擊、碰撞報(bào)警 振動(dòng)加速度測(cè)量