第6章 压电式传感器（课件）- 《传感器检测技术》同步教学（机工版）

传感器与检测技术 第六章　 压电式传感器 概述 压电传感器是一种典型的有源（发电型）传感器。 特点： 结构简单、体积小、重量轻； 工作频带宽；灵敏度高；信噪比高； 工作可靠；测量范围广等。 用途： 主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。 压电加速度传感器 动态压力传感器 6.1.1 压电效应 6.1 压电传感器工作原理 正压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化现象而使其表面出现电荷集聚的现象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，使机械能转变为电能。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 （a）未极化 （b）电极化 6.1 压电传感器工作原理 图6-1压电效应原理示意图 逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。 6.1 压电传感器工作原理 6.1.2 常用的压电材料 （1）石英晶体 石英晶体属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈六面体,沿各方向特征不同。 沿X方向(电轴)的力作用产生电荷的压电效应称”纵向压电效应”； 沿Y方向的(机械轴)的力作用产生电荷的压电效应称”横向压电效应”； 沿Z方向的(光轴)的力作用时不产生压电效应。 Z X Y 6.1 压电传感器工作原理 石英晶体有硅离子Si4+，和氧离子O2-组成，在每一个晶体单元，硅离子和氧离子在xy平面上的投影等效为一个正六边形。 6.1 压电传感器工作原理 6.1 压电传感器工作原理 d11为X方向压电系数，d12为Y方向压电系数 6.1 压电传感器工作原理 6.1 压电传感器工作原理 （2）压电陶瓷（多晶体） 　　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。 具有自发极化的晶体中存在一些自发极化取向一致的微小区域,称为电畴. 两个畴之间的界面称为畴壁。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自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。  6.1 压电传感器工作原理 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，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，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 6.1 压电传感器工作原理 极化处理后陶瓷材料内部存在有很强的剩余极化，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如下的正比关系： 式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数；  F——作用力。 6.1 压电传感器工作原理 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）。它的压电系数约为石英的50倍， 但居里点温度只有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（PZT）系列， 它是钛酸铅（PbTiO2）和锆酸铅（PbZrO3）组成的（Pb（ZrTi）O3）。居里点在300℃以上，性能稳定，有较高的介电常数和压电系数 6.1 压电传感器工作原理 （3）压电高分子材料 高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。 　　目前已发现的压电系数最高、且已进行应用开发的压电高分子材料是聚偏氟乙烯，其压电效应可采用类似铁电体的机理来解释。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟