第6章 壓電傳感器

第6章壓電傳感器

2023/9/222一、教學(xué)目標(biāo)1、知識(shí)目標(biāo)（1）了解不同壓電材料的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

（2）掌握壓電式傳感器的工作原理及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路。（3）熟悉壓電式傳感器在工程上的應(yīng)用。二、教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)1、重點(diǎn)：壓電式傳感器的工作原理和應(yīng)用。2、難點(diǎn)：壓電式傳感器的測(cè)量電路。三、教學(xué)學(xué)時(shí)4學(xué)時(shí)車輛闖紅燈時(shí)自動(dòng)拍照6.1壓電式傳感器的工作原理

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(cè)的目的。2023/9/224

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。想一想

壓電傳感器為什么不能用于靜態(tài)參數(shù)的測(cè)量？6.1.1壓電效應(yīng)正壓電效應(yīng)

是指某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┘訅毫Χ蛊渥冃螘r(shí)，它的內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化的現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上會(huì)產(chǎn)生極性相反的電荷，當(dāng)施加的壓力去掉后，它又重新恢復(fù)不帶電的狀態(tài)；當(dāng)壓力的作用方向改變時(shí)，它內(nèi)部的極性也隨著改變。（順壓電效應(yīng)）打火機(jī)2023/9/227壓電效應(yīng)具有可逆性，它分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)

是指當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就會(huì)在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)施加的電場(chǎng)撤去時(shí)，這些機(jī)械變形或機(jī)械壓力也隨之消失的現(xiàn)象。（電致伸縮效應(yīng)）。音樂賀卡

由于外力的作用，在壓電元件上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能完好地保存，即需要測(cè)量轉(zhuǎn)換電路具有無窮大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的，所以壓電式傳感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)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(cè)量轉(zhuǎn)換電路一定的電流，因此，壓電式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。在晶體的彈性限度內(nèi)，在x軸方向上施加壓力Fx時(shí)，在x面上產(chǎn)生的電荷為

Q=d11Fx

（5-1）

式中，d11為x軸方向受力的壓電系數(shù)（C/N）；Fx為x軸方向的作用力（N）。6.1.2壓電材料

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。2023/9/2211壓電材料壓電晶體壓電陶瓷高分子壓電材料1.石英晶體2023/9/2212天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形（續(xù)）

2023/9/2213石英晶體的壓電機(jī)理分析石英的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶體系，化學(xué)式為SiO2。

（a）晶體外形（b）晶塊圖6-2石英晶體定義：x：兩平行柱面內(nèi)夾角等分線，垂直此軸壓電效應(yīng)最強(qiáng)(正壓電效應(yīng)最強(qiáng)）。稱為電軸。y：垂直于平行柱面，在電場(chǎng)作用下變形最大（逆壓電效應(yīng)最強(qiáng)），稱為機(jī)械軸。z：無壓電效應(yīng)，中心軸，也稱光軸。（a）不受外力

(b)x軸方向受力

（c）y軸方向受力

圖6-3石英晶體的壓電效應(yīng)示意圖當(dāng)石英晶體不受外力作用時(shí)，硅離子和氧離子剛好在正六邊形的六個(gè)頂角上，也就是說正負(fù)電荷是互相平衡的，所以外部沒有帶電現(xiàn)象，見圖6-3（a）；當(dāng)石英晶體在x軸方向受力時(shí)，晶體的極面A上呈現(xiàn)負(fù)電荷，晶體的極面B上呈現(xiàn)正電荷，見圖6-3(b)；當(dāng)石英晶體在y軸方向受力時(shí)，晶體的極面A上呈現(xiàn)正電荷，晶體的極面B上呈現(xiàn)負(fù)電荷，見圖6-3（c）。石英晶體在20～200℃內(nèi)壓電系數(shù)的變化率小，因而其性能非常穩(wěn)定，不足之處在于壓電系數(shù)較?。╠=2.31×10－12C/N）。因此，石英晶體一般只在標(biāo)準(zhǔn)傳感器、高精度傳感器或使用溫度較高的傳感器中使用。石英晶體切片及封裝石英晶體薄片2023/9/2219雙面鍍銀并封裝石英晶體振蕩器（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。2023/9/2220晶振2.壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，是一種能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的陶瓷材料。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）。

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壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料，由無數(shù)細(xì)微的單晶組成。每個(gè)單晶粒形成一個(gè)自發(fā)極化方向一致的小區(qū)域即電疇。剛燒結(jié)好的壓電陶瓷內(nèi)的電疇是無規(guī)則排列，極化方向雜亂無章，其總極化強(qiáng)度為0，此時(shí)受力則無壓電效應(yīng)。若讓原始的壓電陶瓷材料具壓電特性，需在一定溫度下對(duì)它進(jìn)行極化處理。將這些材料置于外電場(chǎng)作用下，使其中的電疇發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于其本身自發(fā)的極化方向與外電場(chǎng)方向一致。極化處理過的壓電陶瓷具有良好的壓電特性。（a）未極化的陶瓷(b)正在極化的陶瓷（c）極化后的陶瓷圖6-4壓電陶瓷的極化過程1）鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷

鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷PZT有較高的壓電系數(shù)（d＝（200～500）

10－12C/N）和居里點(diǎn)（500℃左右），是目前常采用的一種壓電材料。2）非鉛系列壓電陶瓷

非鉛系列壓電陶瓷可減少鉛對(duì)環(huán)境的污染。它們的各項(xiàng)性能均已超過含鉛系列壓電陶瓷，是今后壓電陶瓷的發(fā)展方向。居里點(diǎn)19世紀(jì)末，著名物理家居里在自己的實(shí)驗(yàn)室里發(fā)現(xiàn)磁石的一個(gè)物理特性，就是當(dāng)磁石加熱到一定溫度時(shí)，原來的磁性就會(huì)消失。后來，人們把這個(gè)溫度叫居里點(diǎn)壓電陶瓷外形2023/9/2226壓電晶體與壓電陶瓷的比較：相同點(diǎn)：都是具有壓電效應(yīng)的壓電材料。不同點(diǎn)：

石英的優(yōu)點(diǎn)是它的介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好，適合做工作溫度范圍很寬的傳感器。極化后的壓電陶瓷的壓電系數(shù)是石英的幾十倍甚至幾百倍，但穩(wěn)定性不如石英好，居里點(diǎn)也低。

3.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。其中以PVF2的壓電系數(shù)最高。2023/9/2228高分子壓電材料具有以下特點(diǎn)：（1）高分子壓電材料是柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀，經(jīng)過極化處理后就會(huì)出現(xiàn)壓電效應(yīng)。（2）高分子壓電材料不易破碎，且具有防水性，可以大量連續(xù)的拉升，制成較大面積或較長尺度的形狀，因此，價(jià)格便宜。（3）高分子壓電材料的聲阻抗約為0.02Pa·s/m3，與空氣的聲阻抗有較好的匹配，可以制成特大口徑的壁掛式低音揚(yáng)聲器。（4）高分子壓電材料的工作溫度一般低于100℃，當(dāng)溫度升高時(shí)，其靈敏度降低。（5）高分子壓電材料的機(jī)械強(qiáng)度不高，抗紫外線能力較差，不適合暴曬，容易老化。高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜2023/9/2230可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板2023/9/2231壓電式腳踏報(bào)警器2023/9/2232高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）2023/9/22336.2壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

想一想：壓電材料將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成什么量？

由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí),當(dāng)壓電元件表面聚集電荷時(shí)，相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為介質(zhì)的電容器。6.2壓電式傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

6.2.1壓電元件的等效電路則其電容量為

(7-2)式中:A——壓電片的面積;d——壓電片的厚度;εr——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)壓電元件的開路電壓Ｕ的表達(dá)式為（a）電荷源

(b)電壓源

圖6-6壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器可以等效為一個(gè)電荷源，如圖7-6(a)所示。它也可等效為一個(gè)電壓源，如圖7-6(b)所示。（a）“串聯(lián)”

Q′=Q，U′=2U，C′=C/2而串聯(lián)接法輸出電壓大，本身電容小，適宜用于以電壓作輸出信號(hào)，且測(cè)量電路輸入阻抗很高的地方

（a）串聯(lián)圖6-7壓電元件的連接方式壓電元件的連接方式：(b)并聯(lián)圖6-7壓電元件的連接方式（b）“并聯(lián)”，Q′=2Q，U′=U，C′=2C