壓電原理及材料

第五章壓電傳感器

壓電現(xiàn)象是100多年前居里兄弟研究石英時(shí)發(fā)現(xiàn)的。在測量中，被測動(dòng)態(tài)力和動(dòng)態(tài)壓力通過壓電傳感器變化轉(zhuǎn)換為電荷量的變化，再經(jīng)測量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為輸出電壓。壓電傳感器是屬于自發(fā)電型傳感器。2/7/20231在完全黑暗的環(huán)境中，將一塊干燥的冰糖用榔頭敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬間，發(fā)出暗淡的藍(lán)色閃光，這是強(qiáng)電場放電所產(chǎn)生的閃光，產(chǎn)生閃光的機(jī)理是晶體的壓電效應(yīng)。小實(shí)驗(yàn)2/7/20232第一節(jié)壓電傳感器的工作原理

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)非電量電測的目的。壓電式傳感器主要用途：壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的非電物理量，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)（例如重量）的測量。2/7/20233壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器；壓電效應(yīng)具有可逆性，也是一種典型的“雙向傳感器”；壓電式傳感器的特點(diǎn):工作頻帶寬，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，工作可靠。壓電效應(yīng)最貼近生活的應(yīng)用：燃?xì)庠钆c打火機(jī)2/7/20234一、壓電效應(yīng)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)。若在電介質(zhì)的極化方向上施加交變電壓，它就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）。2/7/20235自然界中與壓電效應(yīng)有關(guān)的現(xiàn)象很多，例如在敦煌的鳴沙丘上，當(dāng)許多游客在沙丘上蹦跳或從鳴沙丘上往下滑時(shí)，可以聽到雷鳴般的隆隆聲。產(chǎn)生這個(gè)現(xiàn)象的原因是無數(shù)干燥的沙子（SiO2晶體）在振動(dòng)壓力下，表面產(chǎn)生電荷，在某些時(shí)刻，恰好形成電壓串聯(lián)，產(chǎn)生很高的電壓，并通過空氣放電而發(fā)出聲音。與此相反，在音樂賀卡中是利用集成電路的輸出脈沖電壓，來激勵(lì)壓電片，利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動(dòng)而發(fā)聲的。小知識2/7/20236清代詩人蘇履吉贊頌鳴沙的“雷送余音聲裊裊，風(fēng)生細(xì)響語喁喁”。2/7/20237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。2/7/20238二、壓電材料的分類及特性壓電傳感器中的壓電元件材料一般有三類：一類是壓電晶體（如上述的石英晶體）；另一類是經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷；第三類是高分子壓電材料。2/7/20239（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形六角形晶柱2/7/202310天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

2/7/202311石英晶體切片及封裝石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝2/7/202312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2/7/202313石英晶體的特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。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。定性分析：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，且三個(gè)電偶極矩的矢量和為0。2/7/202314在晶體的線性彈性范圍內(nèi)，在x方向所產(chǎn)生的電荷qx與作用力Fx成正比，即

qx=d11Fx式中，d11-壓電系數(shù)，當(dāng)受力方向和變形不同時(shí)，壓電系數(shù)也不同，石英晶體的d11=2.31*10-12C/Nqx--垂直于X軸的平面上的電荷Fx-沿X軸方向施加的作用力晶體受到x方向的壓力Fx作用，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象；2/7/202315由上述公式我們看到：電荷qx的符號表示受壓力還是受拉力切片上產(chǎn)生的電荷多少與切片的尺寸無關(guān)，即qx與Fx成正比晶片電荷極性與受力關(guān)系極間電壓qx=d11Fx2/7/202316若在同一切片上,沿機(jī)械軸y方向施加作用力Fy,則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy,其大小為

qy=d12(L/a)Fy式中，d12---y軸方向受力的壓電系數(shù)，根據(jù)石英晶體的對稱性,有d12=-d11；qy---垂直于x軸平面上的電荷Fy---沿y軸方向施加的作用力L、a-晶體切片的長度、厚度2/7/202317由上述公式我們看到：沿機(jī)械軸y方向作用力在晶體表面產(chǎn)生的電荷與晶體切片的尺寸有關(guān)；沿y軸作用力所產(chǎn)生的電荷極性與沿x軸作用力所產(chǎn)生的電荷極性是相反的。qy=d12(L/a)Fy2/7/202318當(dāng)石英晶體沿z軸方向作用力時(shí)，由于晶體沿x軸方向和y軸方向產(chǎn)生同樣的變形，因此沿z軸方向施加作用力時(shí)，石英晶體不會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，即d13=02/7/202319（二）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）。2/7/202320壓電陶瓷的極化過程2/7/202321壓電陶瓷外形

2/7/202322無鉛壓電陶瓷及其換能器外形

（上海硅酸鹽研究所研制）

2/7/202323（三）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。高分子壓電材料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。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的尺度；價(jià)格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。2/7/202324高分子壓電薄膜及拉制2/7/202325高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

2/7/202326可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

2/7/202327壓電式腳踏報(bào)警器

2/7/202328高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）2/7/202329壓電材料的特性：（1）壓電系數(shù)：是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù)，與壓電輸出靈敏度有關(guān)。（2）彈性常數(shù)：壓電材料的彈性常數(shù)、剛度決定著壓電元件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。（3）介電常數(shù)：對于一定形狀、尺寸的壓電元件，其固有電容與介電常數(shù)有關(guān)；而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。（4）機(jī)械耦合系數(shù)：在壓電效應(yīng)中，轉(zhuǎn)換輸出能量與輸入能量之比的平方根，是衡量壓電材料機(jī)械能—電能轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。（5）電阻：壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏，從而改善壓電傳感器的低頻特性。（6）居里點(diǎn)溫度：是指壓電材料喪失壓電特性的溫度。表5-22/7/202330壓電晶片的連接方式以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的壓電傳感器是一種具有高內(nèi)阻而輸出信號又很弱的有源傳感器。在進(jìn)行非電量測量時(shí)，為了提高靈敏度和測量精度，一般采取多片壓電材料組成一個(gè)壓電敏感元件，并接入高輸入阻抗的前置放大器。壓電晶片的連接方式多片壓電材料的連接方式有串聯(lián)和并聯(lián)兩種。2/7/202331第二節(jié)壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

等效電路：壓電器件從功能上講，是一個(gè)電荷發(fā)生器；壓電器件從性質(zhì)上講，是一個(gè)有源電容器。2/7/202332根據(jù)壓電片的串并聯(lián)，其等效電路為電壓源和電荷源電壓源電荷源實(shí)際電荷源在進(jìn)行非電量測量時(shí)，為了提高靈敏度和測量精度，一般采取多片壓電材料組成一個(gè)壓電敏感元件，并接入高輸入阻抗的前置放大器。2/7/202333并聯(lián)輸出型壓電元件可以等效為電荷源。壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷量很小，達(dá)到pA級電流。因此在接成電荷輸出型測量電路時(shí)，也要求前置放大器不僅有足夠的放大倍數(shù)，而且還需要有極高的輸入阻抗。2/7/202334電荷源測量電路（電荷放大器）2/7/202335壓電傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路

電荷放大器的輸出電壓僅與輸入電荷和反饋電容有關(guān)，電纜長度等因素的影響很?。弘姾煞糯笃髂軐弘妭鞲衅鬏敵龅碾姾赊D(zhuǎn)換為電壓（q/U轉(zhuǎn)換器），但并無放大電荷的作用，只是一種習(xí)慣叫法。2/7/202336四通道電荷放大器外形.2/7/202337上圖所示的四通道電荷放大器指標(biāo)（參考東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所資料）靈敏度：0.1～1000mV/pC

頻率范圍：0.3～100KHz

噪聲(最大增益)：折合至輸入端小于5μV

準(zhǔn)確度：1%

最大輸出：±10V/10mA

電

源：220V/50Hz

控制方式：

計(jì)算機(jī)或手動(dòng)焊接式電荷放大器2/7/202338超小型電荷放大器模塊

主要指標(biāo):

靈敏度：1、10、100mV/pC(任選一檔)

頻率范圍：0.3～100KHz(上、下限可選)