傳感器技術(shù)壓電式傳感器中英對照

傳感器技術(shù)壓電式傳感器中英對照第一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六何為壓電傳感器?壓電式傳感器(Piezoelectricsensors)是一種能量轉(zhuǎn)換型傳感器。它既可以將機械能(mechanicalenergy)轉(zhuǎn)換為電能(electricenergy)，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能。壓電式傳感器是以具有壓電效應(yīng)的壓電器件為核心組成的傳感器。第6章壓電式傳感器第二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六第6章壓電式傳感器各種壓電傳感器第三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六6.1壓電效應(yīng)及材料壓電效應(yīng)（PiezoelectricEffect）

一些離子型晶體(ioniccrystal)的電介質(zhì)(dielectric)不僅在電場力作用下，而且在機械力作用下，都會產(chǎn)生極化現(xiàn)象(polarization)。且其電位移(electricdisplacement)D(在MKS單位制中即電荷密度σ-densityofelectriccharge)與外應(yīng)力張量(externalstresstensor)T成正比：

D=dT(6-1)

式中d—壓電常數(shù)矩陣(piezoelectricconstantmatrix)

當(dāng)外力消失，電介質(zhì)又恢復(fù)不帶電原狀；當(dāng)外力變向，電荷極性(polarity)隨之而變。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)。第一節(jié)壓電效應(yīng)及材料第四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六逆壓電效應(yīng)(Conversepiezoelectriceffect)

若對上述電介質(zhì)(dielectric)施加電場(electricfield)作用時，同樣會引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生變形，且其應(yīng)變S與外電場強度(intensityofelectricfield)E成正比：

S=dtE（6-2）

式中dt——逆壓電常數(shù)矩陣(它是d的轉(zhuǎn)置矩陣-transposedmatrix)。

這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮(Electrostriction)。

6.1壓電效應(yīng)及材料第五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六（a）正電壓效應(yīng)（b）壓電效應(yīng)的可逆性圖6-1壓電效應(yīng)6.1壓電效應(yīng)及材料第六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電材料的主要特性參數(shù):壓電常數(shù)(PiezoelectricConstant)

彈性常數(shù)(ElasticConstant)介電常數(shù)(DielectricConstant)機電耦合系數(shù)(ElectromechanicalCouplingCoefficient)電阻(Resistance)居里點(CuriePoint)6.1壓電效應(yīng)及材料第七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電材料(Piezoelectricmaterials)壓電晶體(單晶)Piezoelectriccrystal(singlecrystal):包括壓電石英晶體(quartzcrystal)和其他壓電單晶壓電陶瓷(多晶)

Piezoelectricceramics(polycrystal)新型壓電材料:其中有壓電半導(dǎo)體(piezoelectricsemiconductor)和有機高分子(organicmacromolecule)壓電材料兩種。在傳感器技術(shù)中，目前國內(nèi)外普遍應(yīng)用的是壓電單晶中的石英晶體和壓電多晶中的鈦酸鋇(BariumTitanate)與鈦酸鉛(LeadTitanate)系列壓電陶瓷。6.1壓電效應(yīng)及材料第八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六石英晶體第九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六鈦酸鋇毛坯和晶體第十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電晶體⑴石英晶體(SiO2)

石英晶體俗稱水晶，有天然和人工之分。目前傳感器中使用的均是以居里點為573℃，晶體的結(jié)構(gòu)為六角晶系(hexagonalsystem)的α-石英。其外形如圖所示，呈六角棱柱體(hexagonalprism)。有m、R、r、s、x共5組30個晶面組成6.1壓電效應(yīng)及材料第十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電石英的主要性能特點是：（1）壓電常數(shù)小，其時間和溫度穩(wěn)定性極好，常溫下幾乎不變，在20～200℃范圍內(nèi)其溫度變化率僅為－0.016％/℃；（2）機械強度和品質(zhì)因素(qualityfactor)高，許用應(yīng)力高達(dá)（6.8～9.8）×107Pa，且剛度(rigidity)大，固有頻率高，動態(tài)特性好；（3）居里點573℃，無熱釋電性，且絕緣性(insulativity)、重復(fù)性(repeatability)均好。天然石英的上述性能尤佳。因此，它們常用于精度和穩(wěn)定性要求高的場合和制作標(biāo)準(zhǔn)傳感器。為了直觀地了解其壓電效應(yīng)，將一個單元中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子，在垂直于Z軸的XY平面上投影，等效為圖3-5（a）中的正六邊形排列。圖中“（+）”代表Si4+，“（-）”代表O2-。6.1壓電效應(yīng)及材料第十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六當(dāng)石英晶體未受外力時，正、負(fù)離子(ion)（即Si4+和O2-）正好分布在正六邊形(regularhexagon)的頂角上，形成三個大小相等、互成120°夾角的電偶極矩(electricdipolemoment)P1、P2和P3，如圖3-5（a）所示。P=ql，q為電荷量，l為正、負(fù)電荷之間的距離。電偶極矩方向為負(fù)電荷指向正電荷。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。這時晶體表面不產(chǎn)生電荷，整體上說它呈電中性(electricneutrality)

。6.1壓電效應(yīng)及材料第十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六當(dāng)石英晶體受到沿X方向的壓力FX作用時，將產(chǎn)生壓縮變形，正、負(fù)離子的相對位置隨之變動，正、負(fù)電荷中心不再重合，如圖3-5（b）所示。電偶極矩在X方向的分量為（P1+P2+P3）X>0，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)正電荷。而在Y軸和Z軸方向的分量均為零，即（P1+P2+P3）Y=0,（P1+P2+P3）Z=0，在垂直于Y軸和Z軸的晶體表面上不出現(xiàn)電荷。這種沿X軸施加壓力FX，而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“縱向壓電效應(yīng)”(longitudinalpiezoelectriceffect)。

當(dāng)石英晶體受到沿Y軸方向的壓力FY作用時，晶體如圖3-5（c）所示變形。電偶極矩在X軸方向上的分量（P1+P2+P3）X<0，在X軸的正方向的晶體表面上出現(xiàn)負(fù)電荷。同樣，在垂直于Y軸和Z軸的晶面上不出現(xiàn)電荷。這種沿Y軸施加壓力FY,而在垂直于X軸晶面上產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象，稱為“橫向壓電效應(yīng)”

(transversepiezoelectriceffect)。6.1壓電效應(yīng)及材料第十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六當(dāng)晶體受到沿Z軸方向的力(無論是壓力或拉力)作用時，因為晶體在X方向和Y軸方向的變形相同，正、負(fù)電荷中心始終保持重合，電偶極矩在X，Y方向的分量等于零。所以，沿光軸方向施加力，石英晶體不會產(chǎn)生壓電效應(yīng)。需要指出的是，上述討論均假設(shè)晶體沿X軸和Y軸方向受到了壓力，當(dāng)晶體沿X軸和Y軸方向受到拉力作用時，同樣有壓電效應(yīng)，只是電荷的極性將隨之改變。石英晶體的獨立壓電系數(shù)只有d11和d14，其壓電常數(shù)矩陣為

式中d11=2.31×10-12C/N；d14=0.73×10-12C/N。其中，d12=-d11為橫向壓電系數(shù).

d25=-d14為面剪切壓電系數(shù)，d26=-2d14為厚度剪切壓電系數(shù)。6.1壓電效應(yīng)及材料第十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六⑵.其他壓電單晶壓電單晶中除天然和人工石英晶體外，鋰鹽類壓電和鐵電單晶如鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鍺酸鋰LiGeO3)等材料，也已在傳感器技術(shù)中日益得到廣泛應(yīng)用，其中以鈮酸鋰為典型代表。鉛酸鋰是一種無色或淺黃色透明鐵電晶體。從結(jié)構(gòu)看，它是一種多疇(multi-domain)單晶。它必須通過極化處理后才能成為單疇(single-domain)單晶，從而呈現(xiàn)出類似單晶體的特點，即機械性能各向異性。它的時間穩(wěn)定性好，居里點高達(dá)1200℃，在高溫、強輻射條件下，仍具有良好的壓電性，且機械性能，如機電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。此外，它還具有良好的光電、聲光效應(yīng)，因此在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地脆(fragile)、抗機械和熱沖擊性差。

。6.1壓電效應(yīng)及材料第十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電陶瓷(piezoelectricceramic)

1942年，第一個壓電陶瓷材料――鈦酸鋇先后在美國、前蘇聯(lián)和日本制成。1947年，鈦酸鋇拾音器(soundpick-up)――第一個壓電陶瓷器件誕生了。50年代初，又一種性能大大優(yōu)于鈦酸鋇的壓電陶瓷材料鋯鈦酸鉛(LeadZirconateTitanate)研制成功。從此，壓電陶瓷的發(fā)展進入了新的階段。60年代到70年代，壓電陶瓷不斷改進，日趨完美。如用多種元素改進的鋯鈦酸鉛二元系壓電陶瓷，以鋯鈦酸鉛為基礎(chǔ)的三元系、四元系壓電陶瓷也都應(yīng)運而生。這些材料性能優(yōu)異，制造簡單，成本低廉，應(yīng)用廣泛。6.1壓電效應(yīng)及材料第十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電陶瓷(piezoelectricceramic)

壓電陶瓷是人工多晶鐵電體(multi-crystalferroelectrics)，原始的壓電陶瓷呈現(xiàn)各向同性(isotropy)不具有壓電性，因此，必須作極化處理(Polarizationprocess)，即在一定溫度下對其施加強直流電場，迫使電疇(electricdomain)趨向外電場方向作規(guī)則排列；極化電場去除后，趨向電疇基本保持不變，形成很強的剩余極化(residualpolarization)，從而呈現(xiàn)出壓電性。6.1壓電效應(yīng)及材料第十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電陶瓷6.1壓電效應(yīng)及材料第十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電陶瓷極化圖6-4BaTiO3壓電陶瓷的極化6.1壓電效應(yīng)及材料第二十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電陶瓷的特點(properties)壓電常數(shù)大-largepiezoelectricconstant靈敏度高-highsensitivity制造工藝成熟-wellestablishedmanufacturingtechniques成形工藝性好-goodtechniquesforshapeforming成本低廉，利于廣泛應(yīng)用-lowcostforwideapplication還具有熱釋電性(pyroelectricity)，這會給壓電傳感器造成熱干擾(thermalinference)，降低穩(wěn)定性。所以，對要求高穩(wěn)定性的傳感器場合，壓電陶瓷的應(yīng)用受到限制。6.1壓電效應(yīng)及材料第二十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六第6章壓電式傳感器常用的壓電陶瓷(1)二元系壓電陶瓷(binarysystempiezoelectricceramic)，以鈦酸鋇，尤其以鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷應(yīng)用最廣。(2)三元系壓電陶瓷(ternarysystempiezoelectricceramic)，目前應(yīng)用的有PMN，它由鈮鎂酸鉛Pb（Mg1／3Nb2/3）O3、鈦酸鉛PbTiO3、鋯鈦酸鉛PbZrO3三種成分配比而成。另外還有專門制造耐高溫、高壓和電擊穿性能的鈮錳酸鉛系列、鎂碲酸鉛、銻鈮酸鉛等。(3)綜合性能更為優(yōu)越的四元系壓電陶瓷(quaternarysystempiezoelectricceramic)也已經(jīng)研制成第二十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六第6章壓電式傳感器新型壓電材料⑴壓電半導(dǎo)體(Piezoelectricsemiconductor)⑵有機高分子(organicpolymer)壓電材料一某些合成高分子聚合物(highpolymer)，經(jīng)延展拉伸和電極化后具有壓電性高分子壓電薄膜(piezoelectricfilm)，如聚氟乙烯PVF等。二高分子化合物中摻雜壓電陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子壓電薄膜。第二十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六石英晶體的壓電方程(Piezoelectricequation)

應(yīng)指出，壓電效應(yīng)式(6-1)只適用于各向同性的(isotropic)電介質(zhì)材料。對于各向異性的(anisotropic)壓電材料，方程必須能反映出材料機電特性的方向性。因此，式(6-1)應(yīng)表示為矢量矩陣形式(vector-matrixform)。

設(shè)有一X0°切型的正六面體(regularhexahedron)左旋石英晶片，在三維直角坐標(biāo)系內(nèi)的力-電作用狀況如圖6-7所示。圖中：T1、T2、T3分別為沿x、y、z向的正應(yīng)力分量(壓應(yīng)力為負(fù))T4、T5、T6分別為繞x、y、z軸的切應(yīng)力分量(順時鐘方向為負(fù))；σ、σ2、σ3分別為在x、y、z面上的電荷密度(或電位移D)。第二節(jié)壓電方程及壓電常數(shù)6.2壓電方程及壓電常數(shù)

第二十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六圖6-7X00切型石英晶片的力電分布6.2壓電方程及壓電常數(shù)第二十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六各向異性的石英晶片，單一壓電效應(yīng)：

σij=dijTj式中i——電效應(yīng)(場強、極化)方向的下標(biāo)，j——力效應(yīng)(應(yīng)力、應(yīng)變)方向的下標(biāo)，Tj——j方向的外施應(yīng)力分量(Pa)；σij——j方向的應(yīng)力在i方向的極化強度(或i面上的電荷密度)(C/m2)；dij——j方向應(yīng)力引起i面產(chǎn)生電荷時的壓電常數(shù)(C/N)。當(dāng)i=j時，為縱向壓電效應(yīng)；當(dāng)i≠j時，為橫向壓電效應(yīng)。6.2壓電方程及壓電常數(shù)第二十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六任意的多方向的力同時作用下的全壓電效應(yīng)6.2壓電方程及壓電常數(shù)第二十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六完全各向異性壓電晶體的壓電特性用壓電常數(shù)矩陣表示如下:

對于不同的壓電材料，由于各向異性的程度不同，上述壓電矩陣的18個壓電常數(shù)中，實際獨立存在的個數(shù)也各不相同，如X0°切型石英晶體獨立的壓電常數(shù)只有兩個：d11、d14。6.2壓電方程及壓電常數(shù)第二十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六逆壓電方程的壓電常數(shù)矩陣是正壓電方程壓電常數(shù)矩陣的轉(zhuǎn)置矩陣。例如下面逆壓電方程中的X0°切型石英晶體的壓電常數(shù)轉(zhuǎn)置矩陣。6.2壓電方程及壓電常數(shù)第二十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六結(jié)論：

壓電晶體的正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是對應(yīng)存在的，哪個方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上必定存在逆壓電效應(yīng)，而且力-電之間呈線性關(guān)系。

石英晶體不是在任何方向上都存在壓電效應(yīng)6.2壓電方程及壓電常數(shù)第三十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六

①x方向：只有d11的縱向壓電效應(yīng)〔圖(a)〕、d12的橫向壓電效應(yīng)〔圖(b)〕和d14的剪切壓電效應(yīng)〔圖(c)〕。

②y方向：只有d25和d26的剪切壓電效應(yīng)〔圖圖(c)(d)〕。

③z方向：無任何壓電效應(yīng)6.2壓電方程及壓電常數(shù)第三十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六6.3.1等效電路一、理想等效電路

相對介電常數(shù)(relativedielectricconstant)為εr，極化面積為A，兩極面間距離(壓電片厚度)為t。將壓電器件視為具有電容Ca的電容器，有

Ca=ε0εrA/t第三節(jié)等效電路和測量電路圖6-11壓電器件的理想等效電路(a)電壓源；(b)電荷源6.3等效電路和測量電路第三十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六6.3等效電路和測量電路第三十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六

當(dāng)需壓電器件輸出電壓時，可把它等效成一壓電器件的理想等效電路與電容串聯(lián)的電壓源，如圖6-11(a)所示。在開路狀態(tài)，其輸出端電壓和電壓靈敏度分別為

Ua=Q/CaKｕ=Ua/F=Q/CaF當(dāng)需要壓電器件輸出電荷時，則可把它等效成一個與電容相并聯(lián)的電荷源(sourceofcharge)，如圖6.8(b)所示。同樣，在開路狀態(tài)，輸出端電荷Q=CaUa

式中Ua即極板電荷形成的電壓。6.3等效電路和測量電路第三十四頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六這時的輸出電荷靈敏度為

Kq=Q/F=UaCa/FKu與Kq之間有如下關(guān)系：

Ku=Kq/Ca6.3等效電路和測量電路第三十五頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六二、實際等效電路(actualequivalentcircuit)圖6-12壓電傳感器等效電路和測量電路(a)電壓源；(b)電荷源6.3等效電路和測量電路第三十六頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六6.3.2測量電路一、電壓放大器(voltageamplifier)

電壓放大器又稱阻抗變換器(impedancetransducer)。它的主要作用是把壓電器件的高輸出阻抗變換為傳感器的低輸出阻抗，并保持輸出電壓與輸入電壓成正比。(1)壓電輸出特性(即放大器輸入特性):壓電回路輸出特性：電壓靈敏度：(6-19)(6-20)6.3等效電路和測量電話第三十七頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六幅值相位(2)動態(tài)特性圖6-14壓電器件與測量電路相聯(lián)的動態(tài)特性曲線6.3等效電路和測量電路第三十八頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六高頻特性

當(dāng)時，被測量頻率愈高(實際只要)，則回路的輸出電壓靈敏度就愈接近理想情況，壓電器件的高頻響應(yīng)特性好。低頻特性

當(dāng)時，被測量的頻率愈低，動態(tài)誤差δ=(k-1)×100%也愈大，同時相位角的誤差也愈大。6.3等效電路和測量電路第三十九頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六二，電荷放大器(chargeamplifier)

壓電式傳感器另一種專用的前置放大器(preamplifier)。能將高內(nèi)阻的電荷源轉(zhuǎn)換為低內(nèi)阻的電壓源，而且輸出電壓正比于輸入電荷，因此，電荷放大器同樣也起著阻抗變換的作用，其輸入阻抗高達(dá)1010～1012Ω，輸出阻抗小于100Ω。使用電荷放大器突出的一個優(yōu)點：在一定條件下，傳感器的靈敏度與電纜長度無關(guān)。6.3等效電路和測量電路第四十頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六壓電傳感器與電荷放大器連接等效電路K是放大器的開環(huán)增益，（-K）表示放大器的輸出與輸入反相，若開環(huán)增益足夠高，則放大器的輸入端的電位接近“地”電位。電荷放大器

6.3等效電路和測量電路第四十一頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六幾點結(jié)論：1、電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容(feedbackcapacitance)有關(guān)，而與放大器的放大系數(shù)的變化或電纜電容等均無關(guān)系。2、只要保持反饋電容Cf的數(shù)值不變，就可得到與電荷量Q變化成線形關(guān)系的輸出電壓。3、反饋電容Cf小，輸出就大。4、要達(dá)到一定的輸出靈敏度要求，就須選擇適當(dāng)?shù)姆答侂娙?。充電電壓接近等于放大器的輸出電?/p>

6.3等效電路和測量電路第四十二頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六5、當(dāng)（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）時，認(rèn)為傳感器的靈敏度與電纜電容無關(guān)，更換電纜或使用較長的電纜時，不用重新校正傳感器的靈敏度。6、為得到必要測量精度，Cf的溫度和時間穩(wěn)定性要好，實際電路中Cf的容量做成可選擇的。7、電容負(fù)反饋線路在直流工作時，相當(dāng)于開路狀態(tài)，對電纜噪聲較敏感，放大器零漂也較大，為減小零漂，提高工作穩(wěn)定性，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一個電阻Rf(1010-1014)提高直流反饋。8、由于運算放大器的時間常數(shù)RfCf可以做得很大，因此電荷放大器的低頻下限FL可低達(dá)10-1-10-4Hz，從而實現(xiàn)準(zhǔn)靜態(tài)測量6.3等效電路和測量電路第四十三頁，共五十頁，編輯于2023年，星期六6.4.1壓電式傳感器一、壓電式傳感器應(yīng)用特點：靈敏度和分辨率高，線性范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠性好，壽命長；體積小重量輕，剛度強度、承載能力和測量范圍大，頻帶寬，動態(tài)誤差小