第六章 压电式传感器

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第六章

压电式传感器

压电式传感器的工作原理是基于某些介质材 料(石英晶体和压电陶瓷)的压电效应。 是双向 传感器。实现力与电荷的双向转换。可测与力相关的物理量，如各种动态力、 机 械冲击与振动。 在声学、 医学、力学、宇航等 方面都得到了非常广泛的应用。 缺点是无静态输出，要求有很高的电输出 阻抗。需用低电容的低噪声电缆。

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第一节一、 压电效应

压电效应

某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象(内部正负电荷中心相对位 移), 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现 象称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷的极性也随 之改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电 效应” 。

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当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产 生变形, 这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效

应)。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机—电能量的相互转 换。+ y _

压电效应

逆压电效应

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在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、 钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。

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压电效应表达式Q dF

d--压电系数； F-外作用力为了使用方便，常用 压电应变常数，则有

q dij jd ij 物理意义：在短路条件下，单位应力所产生的电荷密度

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第二节 压电材料明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。 

压电材料的主要特性参数有: (1) 压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱 的参数, 它直接关系到压电输出的灵敏度。  (2) 弹性常数:压电材料的弹性常数、 刚度决定着 压电器件的固有频率和动态特性。 

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(3) 介电常数:对于一定形状、 尺寸的压电元 件, 其固有电容与介电常数有关; 而固有电容又影 响着压电传感器的频率下限。  (4) 机械耦合系数:在压电效应中, 其值等于转 换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能) 之比的平方根; 它是衡量压电材料机电能量转换 效率的一个重要参数。(5) 电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,

从而改善压电传感器的低频特性。 (6) 居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称 为居里点。

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1、单晶体石英晶体是单晶体结构。它是一个正六 面体，有右旋和左旋晶体之分，外形互为镜 像对称。 石英晶体各个方向的特性是不同的。 在直角坐标系中，它有三个轴。

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电轴(X轴):平 行于

相邻柱面内夹 角的等分线棱线， 垂直于此轴面上的 压电效应最强。机械轴(Y轴): 垂直于棱柱面。 在电场(沿X向作用下，沿该轴方向的机械变形 最大。)

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光轴(Z轴):垂直于XY。光线沿该轴通过 石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无 压电效应现象 。 结论：通常把沿电轴x 方向的力作用下产生 电荷的压电效应称为“纵向压电效应”, 而 把沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电 效应称为“横向压电效应”。 而沿光轴z 方 向受力时不产生压电效应。

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2、力与电荷的关系 若从晶体上沿 y 方向切下一块 如图 所示晶片, 当在电轴方向施加 作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上 将产生电荷, 其大小为

qx = d11 fxfx——作用力



式中: d11——x方向受力的压电系数; 

产生的电荷与几何尺寸无关。纵向 压电效应。

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沿机械轴y方向施加作用力fy, 则仍在与x轴垂直的平 面上产生电荷qx ,其大小为

l l qx d12 Fy d11 Fy h h式中: d12——y轴方向受力的压电系数, d12=-d11;l、 h——晶体切片长度和厚度。

产生的电荷与几何尺寸有关。压电效应为横向压电效应。

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3、压电效应的物理解释  石英晶体sio2, 3个硅离子Si4+离子, 6个氧离子

O2- 。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。垂直于X轴端面有无数个此分子结构。 

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(1)未受外力作用时, 正、

负离子正好分布在正六

边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极

矩P1、 P2、P3。 如图 a所示。  P1+ P2+P3=0。正负电荷 中心重合，晶体垂直X轴 表面不产生电荷。呈中 性。

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(2)受x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生 压缩变形, 正负离子的相对

位置也随之变动。如图 (b)所示, 此时正负电荷重心不 再重合, 电偶极矩在x方向 上的分量由于P1的减小和P2、 P3 的 增 加 而 不 等 于 零 , 即 (P1+P2+P3)< 0 。 在x轴 的正方向出现负电荷, 电偶 极矩在y方向上的分量仍为

零, 不出现电荷。

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(3)受到沿y轴方 向的压力作用时, 晶体的变形如图 (c)所示， P1增 大, P2、P3 减小。 在垂直于x轴正方 向出现正电荷, 在y

轴方向上不出现电荷。

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石英最明显的优点是它的介电和压电常数的温度 稳定性好，适于做工作温度范围很宽的传感器。 石英晶体的机械强度很高，可用来测量大量程 的力和加速度。 天然石英的稳定性很好，但资源少并且大多存 在一些缺陷。故—般只用在校准用的标准传感 器或精度很高的传感器中。

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2.多晶体的压电特性(1)压电陶瓷的极化

①未加电场压电陶瓷是人工制造 的多晶体压电材料。 材料 内部的晶粒有许多自发极 化的电畴, 它有一定的极化 方向, 从

而存在电场。 在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的 极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。 因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。

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②加电场电畴方向发生转动,

趋向于按外电场方向的排列, 从而使材料得到 极化。外电场愈强, 就 有更多的电畴更完全地 转向外电场方向。

让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极 化强度很大, 这时的材料具有压电特性。

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( 2)压电陶瓷力与电荷的关系

当陶瓷材料受到外力作用时, 电畴的界限发生移 动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因 而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。

这种因受力而产生的由机械效应转变为电效应, 将机械能转变为电能的现象, 就是压电陶瓷的正压电效应。

电荷量的大小与外力成正比关系: 

q d33

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压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所以采用压电 陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电 陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时 间变化, 从而使其压电特性减弱。  最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3 )。它是由

碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍, 但使用温度较低, 最高只有70℃, 温度稳 定性和机械强度都不如石英。  目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT系列), 它是钛酸钡(BaTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的Pb(ZrTi)

O3。它有较高的压电系数和较高的工作温度。