压电式传感器can原理与应用第五章压电式传感器压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器。

当材料表面受力作用变形时;其表面会有电荷产生从顺实现非电量测量。

第一节压电效应和压电材料表一、压电效应当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时、会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。

当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。

有时人们又把这种机械能转变为电能的现象称为“顺压电效应”。

反之，在某些物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

具有压电效应的电介物质称为压电材料。

在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应应都十分微弱。

随着对压电材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。

二、压电材料简介压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。

前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。

它们都是具有较好特性:具有较大的压电常数，机械性能优良(强度高，固有振荡频率稳定)，时间稳定性好，温度稳定性也很好等，所以它们是较理想的压电材料。

1(压电晶体常见压电晶体有天然和人造石英晶体。

石英晶体，其化学成分为SiO(二氧化硅)，压电 212d,2.31，10C/N系数。

在几百度的温度范围内，其压电系数稳定不变，能产生十分112700~1000kg/cmf稳定的固有频率，能承受的压力，是理想的压电传感器的压电材料。

0除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体。

它属于单斜晶系。

例如酒石酸CHNONaKCHO,4HO钾钠()、酒石酸乙烯二铵()等，还有正方晶系如磷酸二氢6426442钾(KHPO)、磷酸二氢氨(NHHPO)等等。

244242(压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶系压电材料。

常用的压电陶瓷有钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。

,12它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡(BaTiO)压电系数。

但d,190，10C/N333介电常数、机械性能不如石英好。

由于它们品种多，性能各异,，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器，这是一种很有发展前途的压电元件。

常用的压电材料的性能列于表5—1。

三、石英晶体的压电特性石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，如图5—1所示。

石英晶体各个方向的特性是不同的。

在三维直角坐标系中，z轴被称为晶体的光铀。

经过六棱柱棱线，垂直于光铀z的x轴称为电轴，把沿电抽x施加作用力后的压电效应称为纵向压电效应。

垂直于光轴z和电轴x的y轴称为机械轴。

把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。

沿光轴z方向施加作用力则不产生压电效应。

若从石英晶体上沿y方向切下一块如图5—1(c)所示的晶体片，当在电轴x方向施加作用力时，在与电轴(x)垂直的平面上将产生电荷q，其大小为 x q,dF (5—1) x11x式中 d——x轴方向受力的压电系数; 11Fx——作用力。

若在同一切片上，沿机械轴y向施加作用力Fy，则仍在与x轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为aa (5—2) q,dF,,dFy12y11ybb式中 d——y轴方向受力的压电系数，因石英轴对称，所以d =-d 12 1112 a,b——晶体片的长度和厚度。

电荷q和q的符号由受压力还是拉力决定。

由式(5—1)可知q的大小与晶体片几何尺xyx寸无关，而q则与晶体片几何尺寸有关。

y为了直观地了解石英晶体压电效应和各向异性的原因，将一个单元组体中构成石英晶体的硅离于和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为图5—2中的正六边形排列。

42—图中“”代表Si离子，“?”代表氧离子2O’。

,当石英晶体未受外力作用时，带有4个正电荷的硅离子和带有2×2个负电荷的氧离子正好分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等，互成120?夹角的电偶极矩P、P和12P，如图5—2(a)所示。

P,ql，q为电荷量，l为正、负电荷之间距离。

电偶极矩方向从负电3荷指向正电荷。

此时，正、负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P+ P + P,0，123电荷平衡，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。

当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，将产生压缩变形，正、负离子的相时位置随之变动(正、负电荷中心不再重合。

如图5—2(b)所示。

硅离子(1)被挤入氧离子(2)和(6)之间(氧离子(4)被挤入硅离子(3)和(5)之间，电偶极矩在x轴方向的分量(P+ P + P),0，123结果表面A上呈负电荷，B面呈正电荷;如果在x轴方向施加拉力，结果A面和B面上电荷符号与图5—2(b)所示相反。

这种沿x轴施加力，而在垂直于x轴晶面上产生电荷的现象，即为前面所说的“纵向压电效应”。

当石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体如图5—2(c)所示变形。

电偶极矩在x轴方向的分量(P+ P + P),0，即硅离子(3)和氧离子(2)以及硅离子(5)和氧离子(6)都向内移123动同样数值;硅离子(1)和氧离子(4)向A，B面扩伸，所以C，D面上不带电荷，而A，B面分别呈现正、负电荷。

如果在y轴方向施加拉力，结果在A，B表面上产生如图5—2(c)所示相反电荷。

这种沿y轴施加力，而在垂直于y轴的晶面上产生电荷的现象被称为“横向压电效应”。

当石英晶体在z轴方向受力作用时，由于硅离子和氧离于是对称平移，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在x，y方向的分量为零。

所以表面无电荷出现，因而沿光轴(z)方向施加力，石英晶体不产生压电效应。

图5—3表示晶体切片在x轴和y轴方向受拉力和压力的具体情况。

图5—3(a)是在x轴力向受压力，图(b)是在x轴方向受拉力、图(c)是在y轴方向受压力，图(d)是在y轴方向受拉力。

如果在片状压电材料的两个电极面上加以交流电压，那么石英晶体片将产生机械振动，即晶体片在电极方向有伸长和缩短的现象。

这种电致伸缩现象即为前述的逆压电效应。

四、压电陶瓷的压电现象压电陶瓷是人造多晶体，它的压电机理与石英晶体并不相同。

压电陶瓷材料内的晶粒有许多自发极化的电畴。

在极化处理以前，各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零，如图5—4(a)所示。

在陶瓷上施加外电场时，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，如图5—4(b)所示。

既然已极化，此时压电陶瓷具有一定极化强度。

当外电场撤销后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零，如图5—4(c)所示，此时存在剩余极化强度。

同时陶瓷片极化的两端出现束缚电荷，一端为正，另一端为负，如图5—5所示。

由于束缚电荷的作用、在陶瓷片的极化两端很快吸附一层来自外界的自由电荷，这时束缚电荷与自由电荷数值相等，极性相反，因此陶瓷片对外不呈现极性。

图5—5 束缚电荷和自由电荷排列的示意图如果在压电陶瓷片上加—个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内的束缚电荷之间距离变小，电踌发生偏转，极化强度变小，因此，吸附在其表面的自由电荷，有一部分被释放而呈现放电现象。

当撤销压力时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，因此又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。

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

放电电荷的多少与外力成正比例关系。

即q,dF 33式中d——压电陶瓷的压电系数; 33F——作用力。

第二节压电传感器等效电路和测量电路一、压电晶片的连接方式压电传感器的基本原理是压电材料的压电效应。

因此可以用它来测量力和与力有关的参数，如压力、位移、加速度等。

由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存，因此需要测量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能的，所以压电传感器不宜作静态测量，只能在其上加交变力，电荷才能不断得到补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器只宜作动态测量。

制作压电传感器时，可采用两片或两片以上具有相同性能的压电晶片粘贴在一起使用。

由于压电晶片有电荷极性。

因此接法有并联和串联两种，如图5—6所示。

,,并联连接式压电传感器的输出电容和极板上的电荷q分别为单块晶体片的2倍，而C,输出电压与单片上的电压相等。

即 U,,,q,2q ，， C,2CU,U,串联时，输出总电荷等于单片上的电荷，输出电压为单片电压的2倍，总电容应为q1片的。

即 2C,,,，， q,qC,U,2U2由此可见，并联接法虽然输出电荷大，但由于本身电容亦大，故时间常数大，只适宜测量变化慢的信号，并以电荷作为输出的情况。

串联接法输出电压高，本身电容小，适宜于以电压输出的信号和测量电路输入阻抗很高的情况。

在制作和使用压电传感器时，要使压电晶片有一定的预应力。

这是因为压电晶片在加工时即使磨得很光滑、也难保证接触面的绝对平坦，如果没有足够的压力，就不能保证全面的均匀接触，因此，事先要结晶片一定的预应力，但该预应力不能太大，否则将影响压电传感器的灵敏度。

压电传感器的灵敏度在出厂时已作了标定，但随着使用时间的增加会有些变化，其主要原因是性能发生了变化。

实验表明，压电陶瓷的压电常数随着使用时间的增加而减小。

因此，为了保证传感器的测量精度，最好每隔半年进行一次灵敏度校正。

石英晶体的长期稳定性很好。

灵敏度不变，故无需校正。

二、压电传感器的等效电路当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶体片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介质，因此压电片相当于一只平行板介质电容器，参见图5—7。

其电容量为A, C,edA式中——极板面积;一压电片厚度; d——压电材料的介电常数 ,qCU,所以，可以把压电传感器等效为一个电压源和一只电容串联的电路，如eCe图5—8(a)所示。

由图可知，只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压RC才能长期保持不变;如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数按指数规律放电。

Ue压电式传感器也可以等效为一个电荷源与一个电容并联电路，此时，该电路被视为一个电荷发生器如图5—8()所示。

b压电传感器在实际使用时、总是要与测量仪器或测量电路相连接，因此还必须考虑连CRC接电缆的等效电容，放大器的输入电阻和输入电容，这样压电式传感器在测量系eiiCR统中的等效电路就应如图5—9所示。

图中，分别为传感器的电容和漏电阻。

ed三、压电传感器的测量电赂R为了保证压电传感器的测量误差小到一定程度，则要求负载电阻要大到一定数值，L才能使晶体片上的漏电流相应变小，因此在压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前置放大器，然后再接入一般的放大器。

其目的:一是放大传感器输出的微弱信号，二是将它的高阻抗输出变换成低阻抗输出。