电荷量与外力的关系：
q d33 F
d33——压电陶瓷的压电系数。
• 钛酸钡的压电系数是石英的50倍，但居里 温度点只有115℃，使用温度不超过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， 居里温度点300℃，性能稳定，有较高的介 电常数和压电系数。
• 压电陶瓷可以按受力和变形的不同形式制 成各种形状的压电元件。
• 2.电荷放大器
由运算放大器的特性，可求出电荷放大器的输出：
Aq u0 Ca Cc Ci (1 A)C f
当（1+A）Cf>>Ca+Cc+Ci时，
q Uo Cf
电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关， 且与q成正比，因此通常与压电传感器配合使用。
6.2
压电式传感器的测量电路
一、压电式传感器的等效电路 • 由压电元件的工作原理可知，压电传感 器可以看作一个电荷发生器。同时，它 也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷 的两表面相当于电容的两个极板，极板 间物质等效于一种介质，则其电容量为：
Ca
r 0 A
d
压电元件的等效电路
q Ua Ca
当受到Y方向的压力作用时，P1增大，P2,P3减小，在X轴 正方向出现正电荷。
ห้องสมุดไป่ตู้
• 二、压电陶瓷
– 是一种人工制造的多晶压电材料，它由无数 个细微的单晶组成。材料内部的晶粒有许多 自发极化的电畴，在无电场作用时，电畴在 晶体中杂乱分布，它们的极化效应被相互抵 消，因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压 电性质。 – 必须对压电陶瓷进行极化处理，在陶瓷上施 加外电场。 – 在压电传感器中多采用钛酸钡及锆钛酸铅压 电陶瓷作为压电元件。
• 一、石英晶体（SiO2） – 优点： • 绝缘性能好，机械强度高； • 压电温度系数小，居里温度点高； – 缺点： • 资源少，价格较贵； • 压电系数低。
– 只在标准传感或精度要求较高的传感器 中使用。
石英晶体是一个正六面体，各个方向的特性是不同的。
Z—光轴
X—电轴
Y—机械轴
纵向压电效应：沿电轴X方向施加力的作用产生 的压电效应称为纵向压电效应。
压电传感器的测量电路
• 1.电压放大器
U im
dFmR 1 R (Ca Cc Ci )
2 2 2
当
30 时，
就可以认为Uim与频率无关，0表示测量电路 时间常数的倒数。
0 1/[ R(Ca Cc Ci )]
结论：压电传感器具有很好的高频响应，但当作用于压电元件 的力为静态力时，前置放大器的输入电压等于零，因为电荷会 通过放大器的输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传 感器不能用于静态力的测量。
qx d11Fx
横向压电效应：沿机械轴Y方向施加力的作用产 生的压电效应称为横向压电效应。
a q y d12 Fy b
d11---x方向受力的压电系数；
d12---y方向受力的压电系数；
当石英晶体不受力时，正负电荷重心重合，电偶极矩的 矢量和等于零。P1+P2+P3=0.
当受到X方向的压力作用时，P1减小，P2,P3增大，在X轴 正方向出现负电荷；
2. SAW 振荡器 它由一组 SAW 发射、接收 IDT 和反馈放大器 组成，如图 6.3 所示。
收
发
图 6.3 SAW 振荡器
3. SAW 谐振器（SAWR） 它由IDT 和栅格反射器组成，如图 6.4 所示。
6.4.2 SAW 压力传感器
图6.5 SAW 压力传感器示意图
图6.6 SAW 压力传感器压力敏感流程图
其中k=EA/l，E，A，l 分别是压电晶体的杨氏 模量、电极面面积和晶片厚度。
二、压电式加速度传感器的几种结构 有压缩式、剪切式和弯曲式三种： 压缩式结构简单，装配较方便，也最常见； 剪切式灵敏度高，能减小基座应变的影响，容易 小型化，频响范围宽，适于测量高频振动。但 装配较为困难； 弯曲式固有频率低，灵敏度高，适于低频测量。 缺点是体积大，机械强度较前两种差。 见图6-15
6.4.5 SAW 电力传感器 当电场作用于SAW 传播的路径上时，压电基片 将发生应变，使延迟时间发生变化。在一定 范围内，此变化与施加电压呈线性关系，即 可构成电位-频率转换器。 还有一种电流传感器：在 SAW 延迟线中间安 装一个随输入电流而发热的电阻，它和放大 器、移相器一起构成振荡电路。传感器的输 入电流引起 SAW 传播路径上温度上升，从 而导致振荡频率改变。
• 晶体受作用力产生的电荷量与外力的大 小成正比，这种机械能转换为电能的现 象称为正压电效应。 • 反之，如果给晶体施加以交变电场，晶 体本身则产生机械变形，这种现象称为 逆压电效应，又称电致伸缩效应。 • 压电效应具有可逆性。
压电材料
• 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。 • 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(PZT)等材料是性能优良的压电材料。 • 压电材料分为：压电晶体、压电陶瓷、 高聚物和复合材料（压电陶瓷和高聚物 复合）。
图 6.2 IDT 下某一瞬间的电场分布
(膨胀)位移，Ev 则产生垂直于表面的切变位移。 这种周期性的应变就产生沿 IDT 两侧表面传 播出去的 SAW，其频率等于所施加电信号 的频率。一侧无用的波可用一种高损耗介质 吸收，另一侧的 SAW 传播至接收 IDT，借 助于正压电效应将 SAW 转换为电信号输出。 SAW 传感器分为两类：延迟型（也称振荡器） 和谐振型。
三、金属加工切削力的测量
四、玻璃破碎报警器
BS-D2压电式玻璃破碎传感器
压电式玻璃破碎报警器电路框图
五、压电引信
六、煤气灶电子点火器
§6.4 声表面波传感器（SAW）
声表面波（Surface Acoustic Wave) 是英国物理 学家瑞利在19世纪80年代研究地震波过程中发 现的一种能量集中于地表面传播的声波。 1965年，美国的 R.M.White 和 F.M. Voltmov 发 明了在压电材料表面激励 SAW 的金属叉指换 能器(简写IDT-InterDigit Transducer)之后，大大 加速了声表面波技术的发展，相继出现了许多 各具持色的 SAW 器件。
6.4.6 SAW 加速度传感器
声表面波加速度传感器的工作机理 当外界加速度作用到敏感质量上，根据牛顿 第二定律：P＝ ma ，由敏感质量将加速度 转换成力作用到悬臂梁或膜片上，从而使梁 或膜片上各处的应力发生变化。如若在梁或 膜片上制备有 SAW 谐振器，那么，应力的 变化会改变SAW的传播速度，从而改变 SAW 振荡器的谐振频率。外界加速度越大， 谐振频率变化就越大。通过频率的测量，就 可以知道外界加速度的大小。
第6章 压电式传感器
• 压电传感器是典型的无源传感器。 • 又称自发电式传感器及电势式传感器。 • 压电传感器的工作原理是基于某些晶体 受力后在其表面产生电荷的压电效应。 • 特点：
– 体积小、重量轻、结构简单、工作可靠； – 适合动态力学测量，不能测量静态量。
压电式传感器
– 目前多用于加速度和动态力学或压力的测量。 – 压电传感器是一个机电转换元件。
• 应用：
– 拾音器、压电引信、燃气点火具。
6.1 压电效应及压电材料
一、压电效应 • 一些晶体结构的材料，当沿着一定方向受 到外力作用时，内部产生极化现象，同时 在某两个表面上产生符号相反的电荷； • 而当外力去掉后，又恢复不带电的状态； • 当作用力方向改变时，电荷的极性也随着 改变。
压电传感器
6.4.4 SAW 气敏传感器
图6.7 SAW 气敏传感器结构示意图
SAW 气敏传感器的敏感机理随吸附膜的不同而 不同。当薄膜是绝缘材料时，它吸附气体引 起密度的变化，进而引起 SAW 振荡器振荡 频率改变；当薄膜是导体或金属氧化物半导 体时，则主要是电导率的变化引起 SAW 振 荡器振荡频率的改变。 目前使用的吸附膜主要有三乙醇胺（敏感 SO2）、Pd 膜（敏感 H2）、WO3（敏感 H2S)、酞箐膜（敏感 NO2）等。
图 6.1 IDT 的基本结构
指周期 T＝2( a+b)。两相邻电极构成一电极对， 其相互重叠的长度为有效指长，即称换能器 的孔径，记为W。若换能器的各电极对重叠 长度相等，则叫等孔径(等指长)转能器。 1DT 既可用作发射换能器，用来激励SAW，又 可作接收换能器，用来接收SAW，因而这类 换能器是可逆的。在发射 IDT 上施加适当频 率的交流电信号后，压电基片内所出现的电 场分布如图 6.2 所示。该电场可分解为垂直 与水平两个分量(Ev 和 Eh)。由于基片的逆 压电效应，这个电场使指条电极间的材料发 生形变(使质点发生位移)，Eh 使质点产生平 行于表面的压缩
高分子材料压电传感器 • 高分子材料聚偏氟乙烯（PVF2）具有压电 特性。 • 特点：
– 压电系数大，频率响应宽，机械强度好，质量 轻，耐冲击。
• 应用：
– 压电薄膜制成的称重传感器； – 高分子压电薄膜制成机器人触觉敏感元件。
压电材料的主要特性参数
• （1）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。 • （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。
§6.4.1 SAW传感器的基本原理
一般是使待测量作用于SAW 的传播路径，引起 SAW 的传播速度发生变化，从而使振荡频 率发生变化，通过频率的变化来检测被测量。
1. SAW IDT 其基本结构形式如图 6.1 所示。 IDT 由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜 电极组成。这些电极条互相交叉配置，两端 由汇流条连在一起。它的形状如同交叉平放 的两排手指，故称为叉指电极。电极宽度a 和间距相等的IDT称均匀(或非色散)IDT。叉