3.4 压电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（电工版）

2024/1/8 1 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）。 依据电介质压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。 3.4 压电式传感器 3.4.1 压电传感器的工作原理 压电效应 2024/1/8 2 3.4.2 压电材料 无机压电材料 有机压电材料 换能器 压电材料 1.压电晶体 石英晶体是单晶结构，为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状，石英晶体为六棱形。它有三个互相垂直的轴。其中x轴称为电气轴，y 轴称为机械轴，z轴称为 光学轴。 石英晶体外形 石英晶体薄片 常用的压电单晶有石英（SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、α碘酸锂（α-LiIO3）、硫酸锂（Li2SO4）等 双面镀银并封装 电气轴 机械轴 光轴 • “纵向压电效应” 沿电轴x方向施加作用力产生的压电效应称为纵向压电效应 • “横向压电效应” 沿机械轴y方向施加作用力产生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。 图3.4.2 石英晶体 •石英晶体的压电效应具有各向异性—— 电荷 的符号由受拉力还是受压力作用所决定。 电荷 量的大小： Qx与晶片几何尺寸无关，而 Qy则与晶片几何尺寸有关。 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级 2024/1/8 5 石英晶体振荡器（晶振） 晶振 石英等压电单晶压电系数小，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限，但机械强度和品质因素高，稳定性好，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。 2024/1/8 6 （2）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，工艺性好，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 。 常用的压电陶瓷材料有：钛酸钡BT(BaTiO3)、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。 不足：机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。 自发极化电畴 极化强度为零， 无压电效应 施加高压电场极化，电畴转向，有一定的极化强度 电场撤销后，有剩余极化强度 陶瓷片两端出现束缚电荷 电场强度：1-4kV/mm • 压电陶瓷极化过程 直流电场E 剩余极化强度 剩余伸长 电场作用下的伸长 (a)极化处理前 (b)极化处理中 (c)极化处理后 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ － － － － － － － － － － ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 极化方向 正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况） F － ＋ 正压电效应将机械能转换为电能 2024/1/8 9 压电陶瓷外形 2024/1/8 10 无铅压电陶瓷及其换能器外形 （上海硅酸盐研究所研制） 2024/1/8 11 （3）有机聚合物 又称压电聚合物，典型的高分子压电材料有聚偏氟乙烯（PVDF）、偏聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。这类材料具其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点。 高分子压电薄膜及拉制 2024/1/8 12 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 2024/1/8 13 又称复合型高分子压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状压电材料构成的。兼有无机压电材料优良压电性和高分子压电材料的优良加工性能，而且不需要进行拉伸等处理，即可获得压电性。而这种压电性在薄膜内无各向异性，故在任何方向上都显示出相同的压电性。 至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。 (4) 压电复合材料 F + 最简单的压电式传感器的结构及工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力