2.4压电式传感器(课件）《传感器检测技术》同步教学（机械工业出版社）

2.4 压电式传感器 压电式传感器工作原理 测量电路 压电式传感器的应用 压电效应 压电式传感器是一种利用压电效应工作的传感器。压电效应又有正压电效应和逆压电效应之分。正压电效应是指压电材料受力变形，在表面产生电荷；逆压电效应是指压电材料通电压后，压电材料发生变形。 天然的压电材料有石英；人工压电材料有压电陶瓷、压电高分子材料等。压电式传感器是一种典型的有源传感器，由于压电效应具有可逆性，所以压电式传感器也是一种典型的“双向传感器”。压电式传感器一般具有体积小、固有频率高的特点。 如图6-1所示为一压电材料的受压情况。设受压力作用后，压电材料表面产生电荷，则有 （6-1） 式中，为压电常数，单位为。 假设图6-1的受力方向为方向，那么压电材料在方向有压电效应。一般情况下，除了方向的压电效应外，在方向以及三个剪切方向也有可能产生压电效应，如图6-2所示。 压电式传感器的工作原理 图6-1 压电材料的受压情况 图6-2 压电材料微单元及其受压分析 设在三个方向产生的电荷分别为、和，其中，表示垂直于方向的两个端面产生的电荷，表示垂直于y方向的两个端面产生的电荷，表示垂直于方向的两个端面产生的电荷。微单元上的作用力分别是正应力、、和剪切力、、，统一用应力表示，，则微单元受力后产生的单位面积电荷可表示为 （6-2） 其中：表示压电晶体极化方向，指的是与产生电荷的平面垂直的方向；分别表示受力方向；表示在方向受力，在方向产生电荷的压电系数，这里正应力和剪切力统一用表示。例如，表示法向矢量为方向的两个面产生的电荷；表示方向应力在方向产生压电效应的压电系数；表示方向的剪切力，等等。 将式(6-2)写成矩阵的形式，有 （6-3） 式中，为压电系数矩阵；，，。 压电式传感器的工作原理 实际应用时，往往没有那么复杂，比如压电材料仅仅在方向受到力的作用，压电材料的电荷输出面是z方向，则受方向(拉、压)力作用后在方向产生电荷为。又如，受方向力作用后在方向产生电荷为。 表征压电材料压电性能的参数还有如下几种形式： (1)压电电压常数g： 式中，为压电材料的介电常数。 (2)压电应变常数： 式中，为压电材料的弹性模量。 (3)机电耦合系数： 它表述了电能与应变能之比，反映了机电转换效率。 压电材料除压电常数外，还有其他几个比较重要的性能指标，如压电材料的机械性能、压电系数的温度和时间稳定性、绝缘阻抗等。温度稳定性指的是温度变化时压电常数的变化情况，一般情况下，对于某种压电材料，当温度超过某一值时，压电性能会急剧下降，这个温度点又称居里点，居里点越高越好。时间稳定性表示压电特性随时间的衰减情况，这种衰减越小越好，因为衰减将导致输出的不稳定，使传感器在某一精度范围内的标定时间缩短。 压电式传感器的工作原理 压电材料 1.石英 石英的晶体结构为六方晶系，其晶体结构、切片、坐标定义如图6-3所示。其坐标定义具体如下： (1)轴：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电效应最强，又称为电轴。 (2)轴：垂直于平行柱面，该轴方向在电场作用下变形最大，又称为机械轴。 (3)轴：无压电效应，又称为中心轴。 由于压电材料可能在多个方向具有压电效应，因此，为便于这些方向压电效应的具体应用，往往对压电材料采取不同的切片方式。图6-3(b)是沿垂直轴的平面切片，切片下来的压电片如图6-3(c)所示。如果集电荷的电极镀膜在垂直轴的两个端面上，受力为方向，则该压电片对应的压电系数是。 压电式传感器的工作原理 图6-3 石英的晶体结构及切片方向 下面分析石英晶体的压电机理。由石英晶体的分子结构可知，3个硅离子和6个成对的氧离子构成正六边形排列，如图6-4所示。 当石英晶体未受外力作用时，如图6-4(a)所示，一个正离子和两个负离子正好相间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、、。未受力时，，这时，晶体表面不产生电荷。当方向受压力作用时，如图6-4(b)所示，晶体沿方向产生压缩变形，电偶极矩在方向不平衡，在的正方向出现正电荷，，其他两个方向不产生电荷。当方向受压力作用时，如图6-4(c)所示，晶体沿方向产生压缩变形，电偶极矩在方向不平衡，在的正方向出现负电荷，，其他两个方向不产生电荷。当方向受压力作用时，如图6-4(d)所示，晶体沿方向产生压缩变形，由晶体结构可知，电偶极矩仍保持平衡，任何方向都不产生电荷。 压电式传感器的工作原理 图6-4 石英的压电机理分析 依次类推，可以得到石英在各个方向的压电系数，并写成矩阵形式如下： （6-4） 2.压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料。常用的压电材料有钛酸钡()、锆钛酸铅(PZT)等。制作时，将粉末材料黏结成需要的形状，经高温烧结得到，其加工工艺类似