32压电式压力传感器解析课件.ppt

1、1 。23石英晶体的压电效应演示石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。4压电元件压电元件机械能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应56超声波传感器超声波传感器7ZXY(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系ZYX石英晶体的理想外形是石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂学中它可用三根互

2、相垂直的轴来表示，其中纵直的轴来表示，其中纵向轴向轴ZZ称为称为光轴光轴；经；经过正六面体棱线，并垂过正六面体棱线，并垂直于光轴的直于光轴的XX轴称为轴称为电轴电轴；与；与XX轴和轴和ZZ轴同时垂直的轴同时垂直的YY轴轴（垂直于正六面体的棱（垂直于正六面体的棱面）称为面）称为机械轴机械轴。8(b)(a)+-YXXY硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子和氧离子O2-在在Z平面投影，平面投影，如图如图(a)。为

3、讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中中正六边形排列，图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2-。9晶体沿晶体沿X X方向将产生方向将产生收缩，电偶极矩在收缩，电偶极矩在X X方向的分量为方向的分量为(P1+P2+P3)X0(P1+P2+P3)Y=0(P1+P2+P3)Z=0即即在在X X轴的正向出现轴的正向出现正电荷，在正电荷，在Y Y、Z Z轴方轴方向则不出现电荷向则不出现电荷。Y+-X-+FXFXP2P3P1+Y+-X(a)FX=0P1P2P3FXXY+FX(b)FX0 正、负 离 子正、负 离 子（即（即Si4+和和2O2-

4、）正正好分布在正六边形好分布在正六边形顶角上，形成三个顶角上，形成三个互成互成120 夹角的偶夹角的偶极矩极矩P1、P2、P3，电电偶极矩的矢量和偶极矩的矢量和等于零，即等于零，即 P1P2P30（P1+P2+P3）X0（P1+P2+P3）Y=0（P1+P2+P3）Z=0即在即在X X轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在Y Y、Z Z轴方向轴方向则不出现电荷。则不出现电荷。结论：当晶体受到沿结论：当晶体受到沿X（即电轴）方向的力（即电轴）方向的力FX作用时，它在作用时，它在X方向产生正压电效应，而方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。方向则不产生压电效应。10当晶体在当晶体

5、在Y轴方向力轴方向力FY作用时：作用时：当当FY0时，晶体的形变与在时，晶体的形变与在X轴方向力轴方向力FX0 相似；相似；当当FY0时，则与在时，则与在X轴方向力轴方向力FX 0 相似。相似。可见，晶体在可见，晶体在Y Y（即机械轴）方向的力（即机械轴）方向的力F FY Y作用下，使它作用下，使它在在X X方向产生正压电效应，在方向产生正压电效应，在Y Y、Z Z方向则不产生压电效方向则不产生压电效应。应。如果沿如果沿Z轴方向上施加作用力轴方向上施加作用力FZ，因为晶体沿，因为晶体沿X方向和方向和沿沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷中心

6、保持重合，电偶极矩矢量和等于零。荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。表明：沿表明：沿Z Z（即光轴）方向加作用力（即光轴）方向加作用力F FZ Z晶体不产生压电晶体不产生压电效应。效应。11压电效应结论压电效应结论无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；向上一定存在逆压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。通常把沿电轴通常把沿电轴X

7、XX X方向的力作用下产生电荷的压电效应方向的力作用下产生电荷的压电效应称为称为“纵向压电效应纵向压电效应”，而把沿机械轴，而把沿机械轴Y YY Y方向的力作方向的力作用下产生电荷的压电效应称为用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光，沿光轴轴Z ZZ Z方向受力则不产生压电效应。方向受力则不产生压电效应。121、种类、种类：n石英晶体石英晶体：如石英等；如石英等；n压电陶瓷压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体压电半导体：如硫化锌、碲化镉等；如硫化锌、碲化镉等；n高分子压电材料：高分子压电材料：聚二氟乙烯等。聚二氟乙烯等。2、对压电材料特性要求

8、对压电材料特性要求：转换性能转换性能：要求具有较大压电常数；要求具有较大压电常数；机械性能机械性能：机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率；范围和高的固有振动频率；电性能电性能：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；电容的影响并获得良好的低频特性；环境适应性强环境适应性强：温度和湿度稳定性要好，要求具有较温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围；高的居里点，获得较宽的工作温度范围；时间稳定性时间稳定性：要求压电性能不随时间变化。要求压电性能

9、不随时间变化。13（一）（一）石英晶体石英晶体 石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性好。在常数和压电系数的温度稳定性好。在2020200200范围范围内，温度每升高内，温度每升高11，压电系数仅减少，压电系数仅减少0.0160.016。但是当。但是当到到573573时，压电特性完全失去，这就是它的时，压电特性完全失去，这就是它的居里点居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能好。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能好。但价格昂贵，且压电系数低。因此一般仅用于但价格昂贵，且压电系数

10、低。因此一般仅用于标准仪器标准仪器或要求较或要求较高的传感器中。高的传感器中。14（二）（二）压电陶瓷压电陶瓷 1 1、钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化）和二氧化钛（钛（TiO2）按）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（倍）。不足之处是居里温度低（120），），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2 2、锆钛酸铅系压电陶瓷

11、（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛酸铅是由锆钛酸铅是由PbTiO3和和PbZrO3组成的固溶体组成的固溶体Pb（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里温度在温度在300以上，各项机电参数受温度影响小，时间以上，各项机电参数受温度影响小，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能的的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料

12、。感器中应用最广泛的压电材料。15（三三）、压电半导体压电半导体 1968年出现了多种压电半导体材料，如硫化锌、年出现了多种压电半导体材料，如硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫化镉、碲化锌和砷化镓等。碲化镉、氧化锌、硫化镉、碲化锌和砷化镓等。特点：特点：既有压电特性，又有半导体性质，因此，可研既有压电特性，又有半导体性质，因此，可研制压电传感器，也可制作半导体电子器件，还可将二制压电传感器，也可制作半导体电子器件，还可将二者结合，研制新型集成压电传感器。这种力敏器件具者结合，研制新型集成压电传感器。这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表作为表

13、面声波振荡器的压电材料，还可测温度等参数。面声波振荡器的压电材料，还可测温度等参数。（四）、高分子压电材料（四）、高分子压电材料高分子压电薄膜：高分子压电薄膜：是某些高分子聚合物经延展和拉伸是某些高分子聚合物经延展和拉伸以及电场极化后具有压电性能的材料，如聚二氟乙烯以及电场极化后具有压电性能的材料，如聚二氟乙烯优点：耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。优点：耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。高分子压电陶瓷薄膜：高分子压电陶瓷薄膜：是在高分子化合物中加入压电是在高分子化合物中加入压电陶瓷粉末制成的，这种复合材料保持了高分子压电陶陶瓷粉末制成的，这种复合材料保持了高分子压电陶瓷薄膜的柔软性，又具

14、有较高的压电系数。瓷薄膜的柔软性，又具有较高的压电系数。16（一）（一）等效电路等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个荷。可把压电传感器看成一个静电发生器静电发生器，也可把它视，也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器电容器，其，其电容量为电容量为 qq电极压电晶体Ca(b)(a)压电传感器的等效电路dSdSCra0当两极板聚集异性电荷当两极板聚集异性电荷时，则两

15、极板呈现一定时，则两极板呈现一定的电压，其大小为的电压，其大小为aaCqU 17aQUCaSCdqCaUaUaq/Caq UaCaCa（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路压电传感器等效电路18qCaUaUaq/Caq UaCaCa（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路压电传感器等效电路压电传感器等效电路压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 压电式传感器不适合于静态参数测量压电式传感器不适合于静态参数测量 Ca传感器的固有电容传感器的固有电容Ci 前置放大器输入电容前置放大器输入电容 Cc 连线电容连线电容Ra传感器的漏电阻传感器的漏电阻Ri前置放大器输入电阻前置放大器输入电阻19

16、压电传感器只能应用于动态测量压电传感器只能应用于动态测量 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器器不能用于静态测量不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量（在故只适用于动态测量（在50kHz以上时，灵敏度下以上时，灵敏度下

17、降）。降）。7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用20压电元件的连接 压电元件的连接21 单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传感器的输出灵敏度，度，在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在在实际应用中常采用两片（或两片以上）同型号的压电元件粘结在一起。一起。从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变从作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，产生的变形和电荷数量大小都与单片时相同。形和电荷数量大小都与单片时相同。图图a）从电路上看，这是并联接法，）从电路上看，这是并联接法，类似两个电

18、容的并联。所以，类似两个电容的并联。所以，外力作用下正负电极上的外力作用下正负电极上的电荷量增加了电荷量增加了1 1倍，电容量也增加了倍，电容量也增加了1 1倍，输倍，输出电压与单片时相同。出电压与单片时相同。图图b）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，）从电路上看是串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、上、下极板的下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电片的一半，输出电压增大了压增大了1 1倍。倍。22超声波探伤传感器医学超声波检测 超声波测液位 23各种超声波测厚传感器超声波测流量 超声波频谱分析 24各种超声波传感器

19、产品超声波传感器结构超声波传感器结构25点火器晶体261.高分子压电材料的应用高分子压电材料的应用1)玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置 将高分子压电测将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并时会发出的振动，并将电压信号传送给集将电压信号传送给集中报警系统。中报警系统。粘贴位置7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用272压电式周界报警系统压电式周界报警系统 将长的压电电缆埋将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行

20、，米范围内探测人的步行，对轮式或履带式车辆也对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统可以通过信号处理系统分辨出来。右图为测量分辨出来。右图为测量系统的输出波形。系统的输出波形。(用于重要位置出入口、周界安全防护等用于重要位置出入口、周界安全防护等)7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用283.交通监测交通监测 将高分子压电电将高分子压电电缆埋在公路上，可以缆埋在公路上，可以获取车型分类信息获取车型分类信息（包括轴数、轴距、（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数车区域监控、交通数据信息采集

21、（道路监据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。控）及机场滑行道等。7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用29压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切压电式动态力传感器以及在车床中用于动态切削力的测量削力的测量 7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用30压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态分压电式步态分析跑台析跑台压电式纵跳压电式纵跳 训练分析装置训练分析装置压电传感器测量双压电传感器测量双腿跳的动态力腿跳的动态力7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用314.在振动测量中应用在振动测量中应用 1)振动的基本概念振动的基本概念 振动可分为

22、机械振动、土木结构振动、运输工具振动可分为机械振动、土木结构振动、运输工具振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。振动、武器、爆炸引起的冲击振动等。从振动的频率范围来分，有高频振动、低频振动从振动的频率范围来分，有高频振动、低频振动和超低频振动等。和超低频振动等。从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期从振动信号的统计特征来看，可将振动分为周期振动、非周期振动以及随机振动等。振动、非周期振动以及随机振动等。7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用32地地震震的的巨巨大大威威力力7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用33南海南海Ms7.2地震波形记录图地震波形记录图7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用343)压电式振动加速度传感器结构及外形压电式振动加速度传感器结构及外形 横向振动测振器横向振动测振器纵向振动测振器纵向振动测振器7.6 压电传感器的应用压电传感器的应用35363738mMPa/01.039