壓電式壓力傳感器

關(guān)于壓電式壓力傳感器1第1頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三2

壓電式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，以電介質(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)非電量測量。壓電式傳感器可以對各種動態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動進(jìn)行測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。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、重量輕等特點(diǎn)。概述第2頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三3

某些電介質(zhì)（晶體）當(dāng)沿著一定方向施加力變形時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它表面會產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變后，電荷的極性也隨之改變；一、壓電效應(yīng)

這種現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng)第3頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三4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態(tài)力的頻率相同；當(dāng)動態(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。第4頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三5壓電元件機(jī)械能電能

壓電效應(yīng)是可逆的在介質(zhì)極化的方向施加電場時(shí)，電介質(zhì)會產(chǎn)生形變，將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，這種現(xiàn)象稱“逆壓電效應(yīng)”。壓電元件可以將機(jī)械能——轉(zhuǎn)化成電能也可以將電能——轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。

正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)第5頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三6第6頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三7超聲波傳感器第7頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三81、石英晶體的壓電效應(yīng)ZXY(a)(b)石英晶體(a)理想石英晶體的外形(b)坐標(biāo)系ZYX石英晶體的理想外形是一個(gè)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(shí)垂直的Y－Y軸（垂直于正六面體的棱面）稱為機(jī)械軸。第8頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三9(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+

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-。

第9頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三10晶體沿X方向?qū)a(chǎn)生收縮，電偶極矩在X方向的分量為(P1+P2+P3)X>0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0即在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-+++－－－FXFXP2P3P1+－Y+++---X(a)FX=0P1P2P3FXXY++++－－－－FX(b)FX<0+++---P1P2P3(c)FX>0

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(gè)互成120o夾角的偶極矩P1、P2、P3，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1＋P2＋P3＝0（P1+P2+P3）X<0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0即在X軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在Y、Z軸方向則不出現(xiàn)電荷。結(jié)論：當(dāng)晶體受到沿X（即電軸）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)。第10頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三11當(dāng)晶體在Y軸方向力FY作用時(shí)：當(dāng)FY＞0時(shí)，晶體的形變與在X軸方向力FX＜0相似；當(dāng)FY＜0時(shí)，則與在X軸方向力FX＞

0相似?？梢?，晶體在Y（即機(jī)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)。如果沿Z軸方向上施加作用力FZ，因?yàn)榫w沿X方向和沿Y方向所產(chǎn)生的正變形完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。表明：沿Z（即光軸）方向加作用力FZ晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

第11頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三12壓電效應(yīng)結(jié)論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(qiáng)度）之間呈線性關(guān)系；②晶體在哪個(gè)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。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(jī)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)。第12頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三131、種類：石英晶體：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；高分子壓電材料：聚二氟乙烯等。2、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(jī)械性能：機(jī)械強(qiáng)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：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(qiáng)：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。

二、壓電材料第13頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三14（一）

石英晶體

石英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)定性好。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(shí)，壓電特性完全失去，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，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣性能好。但價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)低。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。第14頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三15（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(jī)械強(qiáng)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(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。

第15頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三16（三）、壓電半導(dǎo)體

1968年出現(xiàn)了多種壓電半導(dǎo)體材料，如硫化鋅、碲化鎘、氧化鋅、硫化鎘、碲化鋅和砷化鎵等。特點(diǎn)：既有壓電特性，又有半導(dǎo)體性質(zhì)，因此，可研制壓電傳感器，也可制作半導(dǎo)體電子器件，還可將二者結(jié)合，研制新型集成壓電傳感器。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，還可測溫度等參數(shù)。（四）、高分子壓電材料高分子壓電薄膜：是某些高分子聚合物經(jīng)延展和拉伸以及電場極化后具有壓電性能的材料，如聚二氟乙烯優(yōu)點(diǎn)：耐沖擊、不易破碎、穩(wěn)定性好、頻帶寬。高分子壓電陶瓷薄膜：是在高分子化合物中加入壓電陶瓷粉末制成的，這種復(fù)合材料保持了高分子壓電陶瓷薄膜的柔軟性，又具有較高的壓電系數(shù)。

第16頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三17（一）等效電路當(dāng)壓電傳感器中的壓電晶體承受被測機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，在它的兩個(gè)極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷?？砂褖弘妭鞲衅骺闯梢粋€(gè)靜電發(fā)生器，也可把它視為兩極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器，其電容量為

＋＋＋＋――――qq電極壓電晶體Ca(b)(a)

壓電傳感器的等效電路當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，則兩極板呈現(xiàn)一定的電壓，其大小為三、壓電式傳感器的測量電路第17頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三18

壓電元件電荷Q的開路電壓U可等效為電源與電容串聯(lián)或等效為一個(gè)電荷源Q和電容Ca并聯(lián)。

等效電容qCaUaUa＝q/Caq＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路壓電傳感器等效電路第18頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三19qCaUaUa＝q/Caq＝UaCaCa（a）電壓等效電路（b）電荷等效電路壓電傳感器等效電路壓電傳感器的完整等效電路壓電式傳感器不適合于靜態(tài)參數(shù)測量Ca傳感器的固有電容Ci

前置放大器輸入電容Cc

連線電容Ra傳感器的漏電阻Ri前置放大器輸入電阻第19頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三20壓電傳感器只能應(yīng)用于動態(tài)測量

由于外力作用在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，因此壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態(tài)測量（在50kHz以上時(shí)，靈敏度下降）?！?.6壓電傳感器的應(yīng)用第20頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三21壓電元件的連接壓電元件的連接第21頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三22

單片壓電元件產(chǎn)生的電荷量甚微，為了提高壓電傳感器的輸出靈敏度，在實(shí)際應(yīng)用中常采用兩片（或兩片以上）同型號的壓電元件粘結(jié)在一起。從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時(shí)相同。圖a）從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個(gè)電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也增加了1倍，輸出電壓與單片時(shí)相同。圖b）從電路上看是串聯(lián)的，兩壓電片中間粘接處正負(fù)電荷中和，上、下極板的電荷量與單片時(shí)相同，總電容量為單片的一半，輸出電壓增大了1倍。

第22頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三23超聲波探傷傳感器醫(yī)學(xué)超聲波檢測超聲波測液位

第23頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三24各種超聲波測厚傳感器超聲波測流量超聲波頻譜分析第24頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三25各種超聲波傳感器產(chǎn)品超聲波傳感器結(jié)構(gòu)第25頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三26點(diǎn)火器晶體第26頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三271.高分子壓電材料的應(yīng)用1)玻璃打碎報(bào)警裝置將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，可以感受到玻璃破碎時(shí)會發(fā)出的振動，并將電壓信號傳送給集中報(bào)警系統(tǒng)。粘貼位置§7.6壓電傳感器的應(yīng)用第27頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三282．壓電式周界報(bào)警系統(tǒng)

將長的壓電電纜埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風(fēng)或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行，對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。右圖為測量系統(tǒng)的輸出波形。(用于重要位置出入口、周界安全防護(hù)等)§7.6壓電傳感器的應(yīng)用第28頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三293.交通監(jiān)測

將高分子壓電電纜埋在公路上，可以獲取車型分類信息（包括軸數(shù)、軸距、輪距、單雙輪胎）、車速監(jiān)測、收費(fèi)站地磅、闖紅燈拍照、停車區(qū)域監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)信息采集（道路監(jiān)控）及機(jī)場滑行道等?！?.6壓電傳感器的應(yīng)用第29頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三30壓電式動態(tài)力傳感器以及在車床中用于動態(tài)切削力的測量

§7.6壓電傳感器的應(yīng)用第30頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三31壓電式動態(tài)力傳感器在體育動態(tài)測量中的應(yīng)用壓電式步態(tài)分析跑臺壓電式縱跳訓(xùn)練分析裝置壓電傳感器測量雙腿跳的動態(tài)力§7.6壓電傳感器的應(yīng)用第31頁，講稿共39頁，2023年5月2日，星期三324.在振動測量中應(yīng)用1)振動的基本概念