壓電式傳感器(微課競賽用)

1、6.16.1壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料6.26.2壓電傳感器測量電路壓電傳感器測量電路6.36.3壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用第第6 6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器第第6 6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是基于壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng), 是是典型的典型的有源傳感器有源傳感器。 當(dāng)材料當(dāng)材料受力作用受力作用而而變形變形時時, 其其表面會有電荷表面會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。電量測量。 壓電傳感元件是壓電傳感元件是力敏感元件力敏感元件，所以它能，所以它能測量測量最終能變換為力的最終能變

2、換為力的那些物理量那些物理量，例如力、壓力、加速度等。，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有體積小壓電式傳感器具有體積小, 重量輕重量輕, 工作頻帶寬等特點工作頻帶寬等特點, 因此在因此在各種動態(tài)力、各種動態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動的測量機(jī)械沖擊與振動的測量, 以及聲學(xué)、以及聲學(xué)、 醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。 壓電式傳感器是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)原理工作的。按轉(zhuǎn)換壓電式傳感器是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)原理工作的。按轉(zhuǎn)換方式壓電效應(yīng)可以分為方式壓電效應(yīng)可以分為正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)和和逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。6.1 6.1 壓電效應(yīng)及

3、壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料雅克雅克居里（居里（Jacques Curie）（1856年年10月月29日日-1941年），年），法國物理學(xué)家，蒙彼利埃大法國物理學(xué)家，蒙彼利埃大學(xué)教授。學(xué)教授。皮埃爾皮埃爾居里居里 (Pierre Curie) (1859 -1906)居里兄弟居里兄弟壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 他們發(fā)現(xiàn)了一些晶體在某一特定他們發(fā)現(xiàn)了一些晶體在某一特定方向上受壓時，在它們的表面上會出方向上受壓時，在它們的表面上會出現(xiàn)正或負(fù)電荷，這些電荷與壓力的大現(xiàn)正或負(fù)電荷，這些電荷與壓力的大小成正比，而當(dāng)壓力排除之后電荷也小成正比，而當(dāng)壓力排除之后電荷也消失。消失。 1881年，他們發(fā)表了關(guān)于石英與年，他

4、們發(fā)表了關(guān)于石英與電氣石中壓電效應(yīng)的精確測量。電氣石中壓電效應(yīng)的精確測量。 1 8 8 2 年 ， 他 們 證 實 了 李 普 曼年 ， 他 們 證 實 了 李 普 曼(GLippmann)關(guān)于逆效應(yīng)的預(yù)言：電關(guān)于逆效應(yīng)的預(yù)言：電場引起壓電晶體產(chǎn)生微小的收縮。場引起壓電晶體產(chǎn)生微小的收縮。 利用壓電現(xiàn)象，他們還設(shè)計了一利用壓電現(xiàn)象，他們還設(shè)計了一種種壓電石英靜電計壓電石英靜電計居里計居里計。 某些電介質(zhì)某些電介質(zhì), 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r, 其內(nèi)部其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象就產(chǎn)生極化現(xiàn)象, 同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷同時在它的兩個表面上便產(chǎn)

5、生符號相反的電荷, 當(dāng)外力去掉后當(dāng)外力去掉后, 其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時當(dāng)作用力方向改變時, 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。 正壓電效應(yīng)是一種沒有外電場作用只是形變產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，正壓電效應(yīng)是一種沒有外電場作用只是形變產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，有時人們把這種有時人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象的現(xiàn)象, 稱為稱為“正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)” 。電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力 產(chǎn)生變形產(chǎn)生變形 外力去掉，回到不帶電狀態(tài)外力去掉，回到不帶電狀態(tài) 內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷內(nèi)部

6、產(chǎn)生極化現(xiàn)象，表面產(chǎn)生電荷 壓電效應(yīng)動畫演示壓電效應(yīng)動畫演示 反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外反之，在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，它會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場后，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為加電場后，電介質(zhì)的變形隨之消失。這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“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)）。）。極化方向上施加交變電場極化方向上施加交變電場 產(chǎn)生機(jī)械變形產(chǎn)生機(jī)械變形 去外加電場，變形消失去外加電場，變形消失 逆壓電效應(yīng)動畫演示逆壓電效應(yīng)動畫演示 具有壓電效應(yīng)的材料稱為具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料壓電材料, 壓電材料能實

7、現(xiàn)壓電材料能實現(xiàn)機(jī)機(jī)電能電能量的相互轉(zhuǎn)換量的相互轉(zhuǎn)換, 如下圖所示。如下圖所示。 壓電材料壓電材料（1 1）壓電晶體）壓電晶體 石英晶體外形圖石英晶體外形圖 （1 1）壓電晶體）壓電晶體 天然形成的石英晶體外形圖天然形成的石英晶體外形圖 （2 2）壓電陶瓷）壓電陶瓷 壓電陶瓷外形圖壓電陶瓷外形圖 壓電陶瓷的壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多壓電系數(shù)比石英晶體的壓電系數(shù)大得多，因此其，因此其靈靈敏度較高敏度較高。 壓電陶瓷壓電陶瓷制品制品正壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)的應(yīng)用主要用于的應(yīng)用主要用于燃?xì)恻c火器燃?xì)恻c火器，基本工作原理是：，基本工作原理是：由外力壓縮一個彈簧并釋放，推動一個重錘打擊壓電

8、陶瓷柱產(chǎn)生一個數(shù)千伏由外力壓縮一個彈簧并釋放，推動一個重錘打擊壓電陶瓷柱產(chǎn)生一個數(shù)千伏的高壓形成放電火花，點燃可燃?xì)怏w。的高壓形成放電火花，點燃可燃?xì)怏w。 煤氣灶電子點火裝置煤氣灶電子點火裝置 煤氣灶電子點火裝置如上圖所示。當(dāng)按下手動凸輪開關(guān)煤氣灶電子點火裝置如上圖所示。當(dāng)按下手動凸輪開關(guān)1時，把氣閥時，把氣閥6打打開，同時凸輪凸出部分推動沖擊砧開，同時凸輪凸出部分推動沖擊砧2，使得彈簧，使得彈簧3被沖擊砧被沖擊砧2向左壓縮，當(dāng)凸向左壓縮，當(dāng)凸輪凸出部分離開沖擊砧時，由于彈簧彈力作用，沖擊砧猛烈撞擊陶瓷壓電組輪凸出部分離開沖擊砧時，由于彈簧彈力作用，沖擊砧猛烈撞擊陶瓷壓電組件件4，產(chǎn)生壓電效應(yīng)

9、，從而在正負(fù)兩極面上產(chǎn)生大量電荷，正負(fù)電荷通過高，產(chǎn)生壓電效應(yīng)，從而在正負(fù)兩極面上產(chǎn)生大量電荷，正負(fù)電荷通過高壓導(dǎo)線壓導(dǎo)線5在尖端放電產(chǎn)生火花，使得燃?xì)獗稽c燃。在尖端放電產(chǎn)生火花，使得燃?xì)獗稽c燃。 燃?xì)庠顗弘娞沾纱蚧鹌鞑粌H使用方便，安全可靠，而且使用壽命長，據(jù)燃?xì)庠顗弘娞沾纱蚧鹌鞑粌H使用方便，安全可靠，而且使用壽命長，據(jù)有關(guān)資料介紹，采用壓電陶瓷制成的打火器有關(guān)資料介紹，采用壓電陶瓷制成的打火器可使用可使用100萬次以上萬次以上。 壓電陶瓷壓電陶瓷制品制品逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用主要用于的應(yīng)用主要用于壓電蜂鳴器壓電蜂鳴器，基本工，基本工作原理是：當(dāng)壓電陶瓷片施加交變電場時，壓電陶瓷片產(chǎn)生形變

10、即作原理是：當(dāng)壓電陶瓷片施加交變電場時，壓電陶瓷片產(chǎn)生形變即振動，如果振動頻率在音頻范圍內(nèi)就會發(fā)出聲音。振動，如果振動頻率在音頻范圍內(nèi)就會發(fā)出聲音。 應(yīng)用此特性還可以制造諧振器、選頻器、延遲線、濾波器等電應(yīng)用此特性還可以制造諧振器、選頻器、延遲線、濾波器等電子元件。子元件。高分子壓電材料外形圖高分子壓電材料外形圖 有機(jī)壓電材料有機(jī)壓電材料 有機(jī)壓電材料屬于新一代的壓電材料。有機(jī)壓電材料屬于新一代的壓電材料。主要有主要有壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體和和高分子壓電材料高分子壓電材料。 ZXY理想石英晶體的外形理想石英晶體的外形 - -石英具有如右圖所示的規(guī)則的石英具有如右圖所示的規(guī)則的幾何形狀，它是一個六

11、棱柱，兩端是幾何形狀，它是一個六棱柱，兩端是六棱錐；六棱錐；-石英是各向異性體，即在石英是各向異性體，即在各個方向晶體性質(zhì)是不同的。各個方向晶體性質(zhì)是不同的。 ZXY 在晶體學(xué)中，有三根互相垂直的軸：在晶體學(xué)中，有三根互相垂直的軸： Z Z軸是晶體的對稱軸，光線沿它通過軸是晶體的對稱軸，光線沿它通過晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，故作為基準(zhǔn)軸晶體不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，故作為基準(zhǔn)軸( (稱稱Z Z軸為軸為光軸光軸) )，在該軸方向上沒有壓電在該軸方向上沒有壓電效應(yīng)效應(yīng)； X X軸穿過正六棱柱的棱線軸穿過正六棱柱的棱線( (稱稱X X軸為軸為電電軸軸) )，因為六棱柱有三根，因為六棱柱有三根X X軸，可任取一根

12、；軸，可任取一根； Y Y軸經(jīng)過正六面體的棱面而垂直于光軸和電軸軸經(jīng)過正六面體的棱面而垂直于光軸和電軸( (稱稱Y Y軸為軸為機(jī)機(jī)械軸械軸) )，Y Y軸也有三根，可取任一根。軸也有三根，可取任一根。 石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的。組成石英晶體的硅離子石英晶體的硅離子SiSi4+4+和氧離子和氧離子O O2-2-在在XYXY平面投影，如圖平面投影，如圖(a)(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)(b)中正六邊形排列，中正六邊形排列，圖中圖中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O

13、2O2-2-。 ( (b b) )( (a a) )YXXY硅氧離子的排列示意圖硅氧離子的排列示意圖（a a）硅氧離子在）硅氧離子在XYXY平面上的投影平面上的投影（b b）等效為正六邊形排列的投影）等效為正六邊形排列的投影 當(dāng)石英晶體未受外力作用時當(dāng)石英晶體未受外力作用時, , 正、負(fù)離子正好分布在正正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上六邊形的頂角上, , 形成三個互成形成三個互成120120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P P1 1、 P P2 2、P P3 3。 如下圖（如下圖（a a）所示。）所示。 因為因為P=qL, qP=qL, q為電荷量為電荷量, L, L為正負(fù)電荷之間距離。為正

14、負(fù)電荷之間距離。 此時正此時正負(fù)電荷重心重合負(fù)電荷重心重合, , 電偶極矩的矢量和等于零電偶極矩的矢量和等于零, , 即即P P1 1+P+P2 2+P+P3 3 = 0, = 0, 所以晶體表面不產(chǎn)生電荷所以晶體表面不產(chǎn)生電荷, , 即呈中性。即呈中性。 當(dāng)石英晶體受到沿當(dāng)石英晶體受到沿x x軸方向的壓力作用時軸方向的壓力作用時, , 晶體沿晶體沿x x方向方向?qū)a(chǎn)生壓縮變形將產(chǎn)生壓縮變形, , 正負(fù)離子的相對位置也隨之變動。如下圖正負(fù)離子的相對位置也隨之變動。如下圖 （b b）所示）所示, , 此時正負(fù)電荷重心不再重合此時正負(fù)電荷重心不再重合, , 電偶極矩在電偶極矩在x x方向方向上的分

15、量由于上的分量由于P P1 1的減小和的減小和P P2 2、P P3 3的增加而不等于零的增加而不等于零, , 即即（P P1 1+P+P2 2+P+P3 3）x x 0 0 0 。在。在x x軸上出現(xiàn)電荷軸上出現(xiàn)電荷, , 它的極性為它的極性為x x軸正向為正電荷。在軸正向為正電荷。在y y軸軸方向上不出現(xiàn)電荷。方向上不出現(xiàn)電荷。 這種沿這種沿Y Y軸方向施加力，而在垂直于軸方向施加力，而在垂直于X X軸的晶體表面上產(chǎn)軸的晶體表面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為生電荷的現(xiàn)象，稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”。 當(dāng)作用力當(dāng)作用力f fx x、f fy y的方向相反時的方向相反時, , 電荷的極性也隨之改

16、變。電荷的極性也隨之改變。 如果沿如果沿z z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, , 因為晶體在因為晶體在x x方向和方向和y y方向所產(chǎn)生的形變完全相同方向所產(chǎn)生的形變完全相同, , 所以正負(fù)所以正負(fù)電荷重心保持重合電荷重心保持重合, , 電偶極矩矢量和等于零。電偶極矩矢量和等于零。這表明沿這表明沿z z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, , 晶體不會產(chǎn)生壓晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。電效應(yīng)。 ZXY 如果如果-石英晶體在各個方向同時受到均等的作用力（如浸沒石英晶體在各個方向同時受到均等的作用力（如浸沒在液體里），石英晶體將保持電中性。在液體里），石英晶體將保持電中性。 石英晶體晶片石英晶體晶片

17、若從晶體上沿若從晶體上沿y y方向切下一塊如圖右方向切下一塊如圖右圖所示晶片圖所示晶片, , 當(dāng)在電軸方向施加作用力當(dāng)在電軸方向施加作用力F Fx x時時, , 在與電軸在與電軸x x垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，垂直的平面上將產(chǎn)生電荷，其大小為：其大小為：xxFdq11 式中式中d11為為x方向受力的壓電系數(shù)。方向受力的壓電系數(shù)。6.3 6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 下圖是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖下圖是壓電式單向測力傳感器的結(jié)構(gòu)圖, , 它主要由石英晶片、它主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 傳感器上蓋為傳力元件傳感器上蓋為傳力元

18、件, , 它的外緣壁厚為它的外緣壁厚為0.10.10.5mm, 0.5mm, 當(dāng)外力當(dāng)外力作用時作用時, , 它將產(chǎn)生彈性變形它將產(chǎn)生彈性變形, , 將力傳遞到石英晶片上。將力傳遞到石英晶片上。壓電式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖 傳感器上蓋為傳力元件傳感器上蓋為傳力元件, , 它的外緣壁厚為它的外緣壁厚為0.10.10.5mm, 0.5mm, 當(dāng)外力當(dāng)外力作用時作用時, , 它將產(chǎn)生彈性變形它將產(chǎn)生彈性變形, , 將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用用xyxy切型切型, , 利用其利用其縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng), , 通過通過d d1111實現(xiàn)力

19、實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。為了提電轉(zhuǎn)換。為了提高傳感器的輸出靈敏度，可以用兩片或多片晶片粘貼在一起。高傳感器的輸出靈敏度，可以用兩片或多片晶片粘貼在一起。 石英晶片的尺寸為石英晶片的尺寸為881mm1mm。該傳感器的測力范圍為。該傳感器的測力范圍為0 050N, 50N, 最小分辨率為最小分辨率為0.01, 0.01, 固有頻率為固有頻率為505060kHz, 60kHz, 整個傳感器重整個傳感器重10g10g。 壓電式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式單向測力傳感器結(jié)構(gòu)圖 下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。下圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。 它主要由壓電元它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。 整個部件裝在外殼整個部件裝在外殼內(nèi)內(nèi), , 并用螺栓加以固定。并用螺栓加以固定。 當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時當(dāng)加速度傳感器和被測物一起受到?jīng)_擊振動時, , 壓電元件受質(zhì)壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用量塊慣性