單元五任務(wù)二壓電傳感器

一、任務(wù)描述與分析本次學(xué)習(xí)任務(wù)是掌握壓電傳感器的測(cè)量原理，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路及一些應(yīng)用實(shí)例，要求同學(xué)們通過實(shí)際設(shè)計(jì)的動(dòng)手制作掌握壓電傳感器在力、壓力、加速度、位移、振動(dòng)等方面測(cè)量的應(yīng)用。

任務(wù)二壓電式傳感器在壓力測(cè)量中的應(yīng)用

2/3/20231壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的目的。

壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測(cè)量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動(dòng)態(tài)力、動(dòng)態(tài)壓力、振動(dòng)加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

壓電式傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動(dòng)部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。

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二、相關(guān)知識(shí)（一）壓電效應(yīng)的概念某些物質(zhì)(物體)，如石英、鐵酸鋇等，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部也會(huì)被極化，表面上也會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)——將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。相反，如果將這些物質(zhì)(物體)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也會(huì)發(fā)生變化，這種由外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)(物體)產(chǎn)生機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)——將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)(物體)稱為壓電材料(或稱為壓電元件),壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能—電能的相互轉(zhuǎn)換，如圖5-18所示。2/3/202332/3/20234鳴沙山位于甘肅敦煌市南郊七公里的鳴沙山北麓，面積約200平方公里。游人攀上沙丘，由山頂往下滑，沙礫隨人體而落下，也會(huì)發(fā)出一陣陣轟響，近聞如獸吼雷鳴，遠(yuǎn)聽如神聲仙樂。是“郭煌八景”之一，景名“沙嶺晴鳴”。2/3/20235天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈六角形晶柱，用金剛石刀具切割出一片正方形薄片。當(dāng)晶體薄片受到壓力時(shí)，晶格產(chǎn)生變形，表面產(chǎn)生正電荷，電荷Q與所施加的力F成正比，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。還有一些人造的材料也具有壓電效應(yīng)。

（二）壓電材料的種類具有實(shí)用價(jià)值的壓電材料基本上可分為三大類：

1.壓電晶體2.壓電陶瓷3.新型壓電材料

2/3/202361.石英晶體的壓電效應(yīng)演示當(dāng)力的方向改變時(shí)，電荷的極性隨之改變，輸出電壓的頻率與動(dòng)態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動(dòng)態(tài)力變?yōu)殪o態(tài)力時(shí)，電荷將由于表面漏電而很快泄漏、消失。2/3/20237以石英晶體為例來分析：2/3/20238天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

2/3/20239石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2/3/202310石英晶體振蕩器（晶振）石英晶體在振蕩電路中工作時(shí)，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振2/3/202311石英晶體的外形和晶軸Z：光軸X：電軸Y：機(jī)械軸2/3/202312石英晶體的切片圖光軸電軸機(jī)械軸2/3/202313石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。下圖是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于z軸的xy平面上的投影，等效為一個(gè)正六邊形排列。圖中“＋”代表硅離子Si4+，“－”代表氧離子O2-。

補(bǔ)充：石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理2/3/202314

硅氧離子的排列示意圖(a)xy(b)+xy++---2/3/202315當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。如圖5-5（a）所示。x(a)

Fx=0y+P1P2P3--++-因?yàn)镻=qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。2/3/2023162/3/202317(b)

Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力（Fx<0）作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之發(fā)生變化，如圖5-5（b）所示。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們?cè)趚

方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

在y、z方向上的分量為:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=02/3/2023182/3/202319當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（Fx

＞0）作用時(shí)，其變化情況如圖5-5（c）所示。電偶極矩P1增大，P2、P3減小，此時(shí)它們?cè)趚、y、z三個(gè)方向上的分量為

(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。(c)

Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----2/3/2023202/3/2023212/3/202322可見，當(dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx

作用時(shí)，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在y（即機(jī)械軸）方向的力

Fy作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

小結(jié)2/3/202323石英晶體特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：性能非常穩(wěn)定、自振頻率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、遲滯小、重復(fù)性好、線性范圍寬等。缺點(diǎn)：壓電常數(shù)較小。使用范圍：標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器、使用溫度較高的傳感器。2/3/202324將超聲波（f>20KHZ的機(jī)械振動(dòng)波）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)是利用壓電材料的______；蜂鳴器中發(fā)出“嘀……嘀……”聲的壓電片發(fā)聲原理是利用壓電材料的______。A.應(yīng)變效應(yīng)B.電渦流效應(yīng)C.壓電效應(yīng)D.逆壓電效應(yīng)請(qǐng)你做一做答案：C、D2/3/2023252.壓電陶瓷壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。

2/3/202326壓電陶瓷的極化(a)未極化;(b)電極化2/3/202327在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。分析：2/3/202328陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來，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。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來自外界的自由電荷。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，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋2/3/202329正壓電效應(yīng)示意圖F－＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。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。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，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?！龎弘娦?yīng)。2/3/2023302/3/202331若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。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，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖Ｅ電場(chǎng)方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋2/3/2023322/3/202333壓電陶瓷外形

2/3/202334無(wú)鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2/3/202335壓電陶瓷特點(diǎn)：有良好的工藝性，可以加工成各種形狀，壓電系數(shù)較高，制造成本低，目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件大多采用壓電陶瓷。2/3/2023363.新型壓電材料：高分子壓電材料典型的高分子壓電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。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長(zhǎng)的尺度，價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。2/3/202337高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2/3/202338高分子壓電薄膜及拉制

2/3/202339可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

2/3/202340壓電式腳踏報(bào)警器

2/3/202341高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）2/3/202342壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。②機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。④環(huán)境適應(yīng)性。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。⑤時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。3.

壓電材料的主要指標(biāo)2/3/202343（1）壓電系數(shù)d

表示壓電材料產(chǎn)生電荷與作用力的關(guān)系。一般為單位作用力下產(chǎn)生電荷的多少。單位為C/N（庫(kù)侖/牛頓）。（2）剛度H

壓電材料的剛度是它固有頻率的重要參數(shù)。（3）介電常數(shù)ε

這是決定壓電晶體固有電容的主要參數(shù)，而固有電容影響傳感器工作頻率的下限值。（4）電阻R

它是壓電晶體的內(nèi)阻，它的大小決定其泄漏電流。（5）居里點(diǎn)壓電效應(yīng)消失的溫度轉(zhuǎn)變點(diǎn)。主要特性指標(biāo)：2/3/202344在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當(dāng)溫度升高到573℃時(shí)，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。石英晶體2/3/202345壓電陶瓷主要有以下幾種：1.鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇（BaTiO3）是由碳酸鋇（BaCO3）和二氧化鈦（TiO2）按1：1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)（約為石英晶體的50倍）。不足之處是居里點(diǎn)溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度不如石英晶體。壓電陶瓷2/3/2023462.鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷（PZT）鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的固溶體Pb（Zr、Ti）O3。它與鈦酸鋇相比，壓電系數(shù)更大，居里點(diǎn)溫度在300℃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元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）還可以獲得不同性能的PZT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。2/3/2023471.壓電半導(dǎo)體材料壓電半導(dǎo)體材料有ZnO、CdS

、ZnO

、CdTe等，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ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可檢測(cè)力和溫度等參數(shù)。新型壓電材料2.高分子壓電材料目前出現(xiàn)的壓電薄膜有聚二氟乙烯PVDF、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。高分子壓電材料是一種柔軟的壓電材料，不易破碎，可以大量生產(chǎn)和制成較大的面積。2/3/202348在實(shí)驗(yàn)室作檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)用的壓電儀表應(yīng)采用____壓電材料；能制成薄膜，粘貼在一個(gè)微小探頭上、用于測(cè)量人的脈搏的壓電材料應(yīng)采用____；用在壓電加速度傳感器中測(cè)量振動(dòng)的壓電材料應(yīng)采用_____。A.PTCB.PZTC.PVDFD.SiO2請(qǐng)你做一做答案：D、C、B2/3/202349（三）什么是壓電傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電材料上時(shí)，傳感器就有電荷（或電壓）輸出。壓電傳感器可以看作是一個(gè)電荷發(fā)生器，也可以看成是一個(gè)電容器。2/3/202350并聯(lián)時(shí)：即傳感器的輸出電荷量大，電容量大，時(shí)間常數(shù)大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。

串聯(lián)時(shí)：傳感器本身的輸出電壓大，電容量小，響應(yīng)較快，故這種傳感器適用于測(cè)量以電壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào)。2/3/202351壓電傳感