常用傳感器-壓電

掌握道路交通壓電傳感器的基本原理2、2壓電傳感器目錄41.1傳感器概述12351.2壓電傳感器1.3光電傳感器1.4電渦流傳感器1.5微波傳感器671.6超聲波傳感器1.7圖像傳感器3思考什么是壓電式傳感器什么是壓電效應(yīng)？正壓電效應(yīng)傳感器能否測靜態(tài)信號？為什么？石英晶體的壓電效應(yīng)有何特點？并說明什么是縱向壓電效應(yīng)？什么是橫向壓電效應(yīng)？

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，從而實現(xiàn)非電量測量。壓電傳感元件是力敏感元件，所以它能測量最終能變換為力的那些物理量，例如力、壓力、加速度等。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)簡單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點。1.2壓電式傳感器一、壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)（順壓電效應(yīng)）：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的一定表面上產(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，電荷極性也隨著改變。逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力，當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失的現(xiàn)象。電能機械能正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)天然結(jié)構(gòu)石英晶體的理想外形是一個正六面體，在晶體學(xué)中它可用三根互相垂直的軸來表示，其中縱向軸Z－Z稱為光軸；經(jīng)過正六面體棱線，并垂直于光軸的X－X軸稱為電軸；與X－X軸和Z－Z軸同時垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機械軸。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X－X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機械軸Y－Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸Z－Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。（一）石英晶體的壓電效應(yīng)

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Si4+和氧離子O2-在Z平面投影，如圖(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)中正六邊形排列，圖中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。

(b)(a)++---YXXY硅氧離子的排列示意圖(a)硅氧離子在Z平面上的投影（b）等效為正六邊形排列的投影+9

當(dāng)作用力FX=0時，正、負(fù)離子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六邊形頂角上，形成三個互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，如圖（a）所示。此時正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1＋P2＋P3＝0當(dāng)晶體受到沿X方向的壓力（FX<0）作用時，晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子相對位置隨之發(fā)生變化，如圖（b）所示。此時正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0在Y、Z方向上的分量為（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0由上式看出，在X軸的正向出現(xiàn)正電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3可見，當(dāng)晶體受到沿X(電軸)方向的力FX作用時，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軸方向力FY作用下的情況與FX相似。當(dāng)FY＞0時，晶體的形變與圖（b）相似；當(dāng)FY＜0時，則與圖（c）相似。由此可見，晶體在Y（即機械軸）方向的力FY作用下，使它在X方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在Y、Z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0(c)FX>0Y+++--X-+++－－－FXFXP2P3P1+－

當(dāng)晶體受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用時，其變化情況如圖（c）。此時電極矩的三個分量為在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z方向則不出現(xiàn)電荷。

晶體在Z軸方向力FZ的作用下，因為晶體沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，沿Z(即光軸)方向的力FZ作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。假設(shè)從石英晶體上切下一片平行六面體——晶體切片，使它的晶面分別平行于X、Y、Z軸，如圖。并在垂直X軸方向兩面用真空鍍膜或沉銀法得到電極面。

當(dāng)晶片受到沿X軸方向的壓縮應(yīng)力σXX作用時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度PXX與應(yīng)力σXX成正比ZYXbl石英晶體切片t式中FX——X軸方向的電場強度；

d11——壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時，壓電系數(shù)也不同，石英晶體d11=2.3×10-12CN-1；

l、b——石英晶片的長度和寬度。極化強度PXX在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度，即

式中

qX——垂直于X軸平面上的電荷。將上兩式整理，得

式中——電極面間電容。其極間電壓為根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在X軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即

或用應(yīng)變表示，則式中EX——X軸方向上的電場強度。在X軸方向施加壓力時，左旋石英晶體的X軸正向帶正電；如果作用力FX改為拉力，則在垂直于X軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反，見圖(a)、(b)。

FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XXΔt=d11UX

如果在同一晶片上作用力是沿著機械軸的方向，其電荷仍在與X軸垂直平面上出現(xiàn)，其極性見圖（c）、（d），此時電荷的大小為

++++++++－－－－－－－－(c)(d)FYFYXX式中d12——石英晶體在Y軸方向受力時的壓電系數(shù)。根據(jù)石英晶體軸對稱條件：d11=－d12，則上式為式中t——晶片厚度。則其極間電壓為

根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在Y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用應(yīng)變表示由上述可知：

①無論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場強度）之間呈線性關(guān)系；②晶體在哪個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)；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的。

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)。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。在無外電場作用時，各個電疇在晶體上雜亂分布，它們的極化效應(yīng)被相互抵消，因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強度為零，見圖（a）。

直流電場E剩余極化強度剩余伸長電場作用下的伸長(a)極化處理前(b)極化處理中(c)極化處理后

（二）

壓電陶瓷的壓電效應(yīng)18當(dāng)把電壓表接到陶瓷片的兩個電極上進行測量時，無法測出陶瓷片內(nèi)部存在的極化強度。陶瓷片內(nèi)的極化強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)的束縛電荷符號相反而數(shù)量相等，它起著屏蔽和抵消陶瓷片內(nèi)極化強度對外界的作用。所以電壓表不能測出陶瓷片內(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、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強度也變小。因此，原來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(這是一個膨脹過程)，片內(nèi)的正、負(fù)電荷之間的距離變大，極化強度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。這種由機械效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?yīng)，或者由機械能轉(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)示意圖（實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與極化方向相同的電場，如圖，由于電場的方向與極化強度的方向相同，所以電場的作用使極化強度增大。這時，陶瓷片內(nèi)的正負(fù)束縛電荷之間距離也增大，就是說，陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長形變（圖中虛線）。同理，如果外加電場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械效應(yīng)或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象，就是逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)示意圖（實線代表形變前的情況，虛線代表形變后的情況）－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－－－極化方向電場方向Ｅ

由此可見，壓電陶瓷所以具有壓電效應(yīng)，是由于陶瓷內(nèi)部存在自發(fā)極化。這些自發(fā)極化經(jīng)過極化工序處理而被迫取向排列后，陶瓷內(nèi)即存在剩余極化強度。如果外界的作用（如壓力或電場的作用）能使此極化強度發(fā)生變化，陶瓷就出現(xiàn)壓電效應(yīng)。此外，還可以看出，陶瓷內(nèi)的極化電荷是束縛電荷，而不是自由電荷，這些束縛電荷不能自由移動。所以在陶瓷中產(chǎn)生的放電或充電現(xiàn)象，是通過陶瓷內(nèi)部極化強度的變化，引起電極面上自由電荷的釋放或補充的結(jié)果。種類：壓電晶體，如石英等；壓電陶瓷，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等；壓電半導(dǎo)體，如硫化鋅、碲化鎘等。對壓電材料特性要求：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大壓電常數(shù)。②機械性能。壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、剛度大，以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率。③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。④環(huán)境適應(yīng)性強。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時間變化。

二、壓電材料（一）

石英晶體

石英（SiO2）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，在常溫范圍內(nèi)這兩個參數(shù)幾乎不隨溫度變化，如下兩圖。由圖可見，在20℃～200℃范圍內(nèi)，溫度每升高1℃，壓電系數(shù)僅減少0.016％。但是當(dāng)?shù)?73℃時，它完全失去了壓電特性，這就是它的居里點。

1.000.990.980.970.960.9520406080100120140160180200dt/d20斜率：－0.016％/℃t℃石英的d11系數(shù)相對于20℃的d11溫度變化特性6543210100200300400500600t/℃相對介電常數(shù)ε居里點石英在高溫下相對介電常數(shù)的溫度特性

石英晶體的突出優(yōu)點是性能非常穩(wěn)定，機械強度高，絕緣性能也相當(dāng)好。但石英材料價格昂貴，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。因為石英是一種各向異性晶體，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性質(zhì)（如彈性、壓電效應(yīng)、溫度特性等）相差很大。為了在設(shè)計石英傳感器時，根據(jù)不同使用要求正確地選擇石英片的切型。

石英晶片的切型符號表示方法：IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號表示法；習(xí)慣符號表示法。

IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的切型符號包括一組字母（X、Y、Z、t、l、b）和角度。用X、Y、Z中任意兩個字母的先后排列順序，表示石英晶片厚度和長度的原始方向；用字母t（厚度）、l（長度）、b（寬度）表示旋轉(zhuǎn)軸的位置。當(dāng)角度為正時,表示逆時針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)角度為負(fù)時,表示順時針旋轉(zhuǎn)。例如：(YXl)35o切型，其中第一個字母Y表示石英晶片在原始位置(即旋轉(zhuǎn)前的位置)時的厚度ZZOOY’YZ’XX35(a)(b)（YXl）35°切型（a）石英晶片原始位置（b）石英晶片的切割方位沿Y軸方向，第二個字母X表示石英晶片在原始位置時的長度沿X軸方向，第三個字母l和角度35o表示石英晶片繞長度逆時針旋轉(zhuǎn)35o，如圖。Y又如（XYtl）5o/-50o切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿X軸方向，長度沿Y軸方向，先繞厚度t逆時針旋轉(zhuǎn)5o，再繞長度l順時針旋轉(zhuǎn)50o，如圖。習(xí)慣符號表示法是石英晶體特有的表示法，它由兩個大寫的英文字母組成。例如，AT、BT、CT、DT、NT、MT和FC等。OO50°ZZ’ZY’Y5°Z’’XY(a)石英晶片原始位置(b)石英晶片的切割方位（二）

壓電陶瓷

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）。不足之處是居里溫度低（120℃），溫度穩(wěn)定性和機械強度不如石英晶體。2、

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，居里溫度在300℃以上，各項機電參數(shù)受溫度影響小，時間穩(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。

4、壓電半導(dǎo)體材料如ZnO、CdS

、ZnO

、CdTe，這種力敏器件具有靈敏度高，響應(yīng)時間短等優(yōu)點。此外用ZnO作為表面聲波振蕩器的壓電材料，可測取力和溫度等參數(shù)。3、壓電聚合物聚二氟乙烯（PVF2）是目前發(fā)現(xiàn)的壓電效應(yīng)較強的聚合物薄膜，這種合成高分子薄膜就其對稱性來看，不存在壓電效應(yīng)，但是它們具有“平面鋸齒”結(jié)構(gòu)，存在抵消不了的偶極子。經(jīng)延展和拉伸后可以使分子鏈軸成規(guī)則排列，并在與分子軸垂直方向上產(chǎn)生自發(fā)極化偶極子。當(dāng)在膜厚方向加直流高壓電場極化后，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陶瓷粉末，制成混合復(fù)合材料(PVF2—PZT)。

（一）壓電式加速度傳感器（二）壓電式壓力傳感器（三）壓電式流量計（四）集成壓電式傳感器（五）壓電式傳感器在自來水管道測漏中的應(yīng)用三、壓電式傳感器的應(yīng)用

當(dāng)傳感器感受振動時，因為質(zhì)量塊相對被測體質(zhì)量較小，因此質(zhì)量塊感受與傳感器基座相同的振動，并受到與加速度方向相反的慣性力，此力F＝ma。同時慣性力作用在壓電陶瓷片上產(chǎn)生電荷為

運動方向21345縱向效應(yīng)型加速度傳感器的截面圖（一）

壓電式加速度傳感器其結(jié)構(gòu)一般有縱向效應(yīng)型、橫向效應(yīng)型和剪切效應(yīng)型三種。縱向效應(yīng)是最常見的,如圖。壓電陶瓷4和質(zhì)量塊2為環(huán)型，通過螺母3對質(zhì)量塊預(yù)先加載，使之壓緊在壓電陶瓷上。測量時將傳感器基座5與被測對象牢牢地緊固在一起。輸出信號由電極1引出。q＝d33F＝d33ma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)量會影響被測振動，同時會降低振動系統(tǒng)的固有頻率，因此一般不用增加質(zhì)量辦法來提高傳感器靈敏度。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。

連接方式：圖(a)為并聯(lián)形式，片上的負(fù)極集中在中間極上，其輸出電容C?為單片電容C的兩倍，但輸出電壓U?等于單片電壓U，極板上電荷量q?為單片電荷量q的兩倍，即圖(b)為串聯(lián)形式，正電荷集中在上極板，負(fù)電荷集中在下極板，而中間的極板上產(chǎn)生的負(fù)電荷與下片產(chǎn)生的正電荷相互抵消。從圖中可知，輸出的總電荷q?等于單片電荷q，而輸出電壓U?為單片電壓U的二倍，總電容C?為單片電容C的一半，即++－－(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)疊層式壓電元件++－++－－并聯(lián)接法，輸出電荷大，時間常數(shù)大，宜用于測量緩變信號，并且適用于以電荷作為輸出量的場合。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，且測量電路輸入阻抗很高的場合。（二）

壓電式壓力傳感器根據(jù)使用要求不同，壓電式測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。壓電式測壓傳感器的原理簡圖。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