第6章压电式传感器

第6章压电式传感器 本章的主要内容有 1.压电式传感器的结构原理； 2.压电式传感器的测量电路； 3.压电式传感器的典型应用；通过学习应掌握压电式传感器的性能特点及其基本应用方法。

压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。

6.1 基本原理分析 6.1.1 压电效应某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。

6.1.2 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图6.1.1是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。

从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为 qxx＝dxxFx

横向压电效应产生的电荷为 根据石英晶体的对称条件dXY=dXX，所以由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。

石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。

石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如下图所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如下图所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。

6.1.3 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，如下图所示。

对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷，下左图，其电荷量q与作用力F成正比，即：q= dzzF，下右图为：

6.2 压电材料及压电元件的结构 6.2.1 压电材料压电材料一般应考虑以下主要特性： 1) 具有较大的压电常数。 2) 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。 3) 具有高的电阻率和较大的介电常数。 4) 具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。 5) 压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。

1.石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电、系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。

2.水溶性压电晶体 这类压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H20)、硫酸锂(Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低，只适用于室温和湿度低的环境下。 3.铌酸锂晶体铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250℃，居里点为1210℃。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的前途。

4.压电陶瓷 这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。 1) 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和TiO2二者在高温下合成的。具有较高的压电系数和介电常数。但它的居里点较低，为120℃，此外机械强度不如石英。 2) 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT) 锆钛酸铅是PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb(Zr·Ti)O2。它具有较高的压电系数和居里点(300℃以上)。

3) 铌酸盐系压电陶瓷 钽铌酸铅具有很高的居里点和较低的介电常数。铌酸钾的居里点为435C，常用于水声传感器中。 4) 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN) 这是一种由Pb(MgNb)O3、PbTiO3、PbZrO3组成的三元系陶瓷。它具有较高的压电系数和居里点，能够在较高的压力下工作，适合作为高温下的力传感器。

5. 压电半导体 有些晶体既具有半导体特性又同时具有压电性能，如ZnS、CaS、GaAs等。因此既可利用它的压电特性研制传感器，又可利用半导体特性以微电子技术制成电子器件。 6.2.1.6 高分子压电材料某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和电场极化后，有一定的压电性能，这就是高分子压电薄膜。目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂PMG等。这是一种柔软的压电材料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面积。

6.2.2 压电元件的结构型式 在压电式传感器中，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法也有两种，如下图所示。图a为并联接法，其输出电容C＇为单片的n倍，即 C＇=nC， U＇=U，Q＇=nQ。图中b为串联接法，这时有Q＇＝Q， U＇= nU，C＇=C/n。 a) b)

在以上两种联接方式中，并联接法输出电荷大，本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号，并以电荷量作为输出的场合。串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压作为输出量以及测量电路输入阻抗很高的场合。压电元件在压电式传感器中，必须有一定的预应力，这样可以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时也保证了压电片的输出与作用力的线性关系。

6.3 测量电路 6.3.1 等效电路压电传感器在受外力作用时，在两个电极表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相反。这时它相当于一个以压电材料为电介质的电容器，其电容量为式中，ε0为真空介电常数：ε为压电材料的相对介电常数；h为压电元件的厚度；A为压电元件极板面积。

因此可以把压电式传感器等效成一个与电容相并联的电荷源，如下图a所示，也可以等效为—个电压源，如下图b所示。压电传感器与测量仪表联接时，还必须考虑电缆电容C，放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra。 a)电荷源b)电压源

6.3.2 基本测量电路 压电传感器的内阻抗很高，而输出的信号微弱，因此一般不能直接显示和记录。压电传感器要求测量电路的前级输入端要有足够高的阻抗，这样才能防止电荷迅速泄漏而使测量误差变大。压电传感器的前置放大器有两个用：一是把传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是把传感器的微弱信号进行放大。

1.电压放大器 压电传感器接电压放大器的等效电路如下图a所示。图b是简化后的等效电路，其中，ui为放大器输入电压； C=CC+Ci；；ua=Q/Ca。如果压电传感器受力为:F=Fmsinωt ；则在压电元件上产生的电压为 a) b)

而在放大器输入端形成的电压为 当＜＜1时，放大器的输入电压为

6.3.2.2 电荷放大器 电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。它实际上是一个具有反馈电容的高增益运算放大器。图6.3.4是压电传感器与电荷放大器连接的等效电路。图中C，为放大器的反馈电容，其余符号的意义与电压放大器相同。图6.3.4 电荷放大器等效电路 (6-3-6)

如果忽略电阻Ra、Ri及Rf的影响，则输入到放大器的电荷量为：Qi=Q-Qf 式中，A为开环放大系数。所以有

故放大器的输出电压为 当A>>1，而(1+A)Cf>>时，放大器输出电压可以表示为

由式中可以看出，由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度为由式中可以看出，由于引入了电容负反馈，电荷放大器的输出电压仅与传感器产生的电荷量及放大器的反馈电容有关，电缆电容等其他因素对灵敏度的影响可以忽略不计。电荷放大器的灵敏度为 (6-3-7) 放大器的输出灵敏度取决于Cf。在实际电路中，是采用切换运算放大器负反馈电容Cf的办法来调节灵敏度的。Cf越小则放大器的灵敏度越高。为了放大器的工作稳定，减小零漂，在反馈电容Cf两端并联了一反馈电阻，形成直流负反馈，用以稳定放大器的直流工作点。

6.4 压电式传感器的应用 压电式传感器可用于力、压力、速度、加速度、振动等许多非电量的测量，可做成力传感器、压力传感器、振动传感器等等。 6.4.1 5100系列压电式力传感器航天702所所研制生产的5100系列力传感器，是一种利用石英晶体的纵向压电效应，将“力”转换成“电荷”并通过二次仪表转换成电压的压电式力传感器。它具有气密性好、硬度高、刚度大、动态响应快等优点。目前，5110、5112、5114和5115力传感器已组成各种锤头（钢、铝、尼龙、橡胶）型测力锤，可以测量动态力、准静态力和冲击力。

6.4.2 电荷型石英压力传感器 西安宇恒电子有限公司生产的M112系列为发动机燃烧传感器，适用于发动机汽缸内压力测试。M119系列为高频、抗高冲击型，特别适用于榴弹炮、液体发射药武器的测试。是典型的军工产品，也可广泛应用于民用工业中，如发动机燃烧室压力测量等领域，性能参数见书上表6-2所示。

6.4.3 压电式加速度传感器 1. YD型压电式加速度传感器压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它的主要优点是；灵敏度高、体积小、重量轻、测量频率上限较高、动态范围大。但它易受外界干扰，在测试前需进行各种校验。如厂的YD型压电式加速度传感器就是典型的一种其外形如下图2所示，有端面和侧面引出两种基本形式，它主要用于各种机械振动的测量。

2. 6100系列压电加速度计 压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高，可用于测量振动、冲击等信号。其外形见下图主要性能指标见表6-4。

3. HZ-9508型测振表 HZ-9508型测振表是用于旋转机械进行振动测量、简易故障诊断的一种便携式数字显示测振表，用YD型压电式加速度传感器作为表头。它除了可测量一般机械振动产生的加速度、速度、位移等参数外，还具有测量齿轮、轴承故障产生的高频加速度值的功能，并具有低电压监测功能。其外形结构如右图所示。

主要参数如下： 1）测量范围：位移： 1～1999μm（峰—峰值）；速度： 0.1～199.9mm/S（有效值）；加速度： 0.1～199.9m/S2（峰值）；高频加速度：0.1～199.9 m/S2（峰值）；精度：测量值的±5%（允许±2误差）； 2）频率范围：位移：10Hz～1000Hz；速度：10Hz～1000Hz；加速度：10Hz～1000Hz；高频加速度：1KHz～15KHz；

3）显示：三位半液晶显示 4）保持功能：当按住保持键时，显示振动值停止变动 5）输出信号：满量程为2VAC(峰值)信号 6）工作环境条件：温度：0～50℃；湿度：95%PH以下； 7）外形尺寸：130×70×25（mm）。小结：本章主要分析了压电式传感器的工作原理，介绍了压电式传感器常用的压电材料，详细说明了常用的各种压电式传感器的型号构成及其在力、位移、振动及加速度中的应用。

思考题 1．一压电式传感器的灵敏度K1＝10pC／MPa，连接灵敏度K2=0.008V／pC的电放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K3=25mm／V，当压力变化Δp=8MPa时，记录笔在记录纸上的偏移为多少? 2．某加速度计的校准振动台，它能作50Hz和1g的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K＝100mV／g，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。

第6章 压电式传感器