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6.1压电效应及压电材料6.2压电传感器测量电路6.3压电式传感器的应用第6章压电式传感器第6章压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小,重量轻,工作频带宽等特点,因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。压电式传感器是基于某些物质的压电效应原理工作的。按转换方式压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应。6.1雅克·居里（JacquesCurie）（1856年10月29日-1941年），法国物理学家，蒙彼利埃大学教授。皮埃尔·居里(PierreCurie)(1859-1906)居里兄弟他们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。1882年，他们证实了李普曼(G．Lippmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计——居里计。某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。正压电效应是一种没有外电场作用只是形变产生的极化现象，有时人们把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。电介质在沿一定方向上受到外力产生变形外力去掉，回到不带电状态内部产生极化现象，表面产生电荷压电效应动画演示反之，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。极化方向上施加交变电场产生机械变形去外加电场，变形消失逆压电效应动画演示具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机—电能量的相互转换,如下图所示。一般将具有压电效应的晶体都称为压电类晶体，具有压电效应的电介质称为压电材料。在自然界中，大多数晶体都具有压电效应。然而，大多数晶体的压电效应很微弱，没有实用价值。石英是晶体中性能良好的一种压电材料。随着科学技术的发展，人工制造的压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等多晶压电材料相继问世，应用越来越广。压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。（1）压电晶体压电晶体是一种单晶体。例如：石英晶体；酒石酸钾钠等石英晶体外形图（1）压电晶体压电晶体是一种单晶体。例如：石英晶体；酒石酸钾钠等天然形成的石英晶体外形图（2）压电陶瓷压电陶瓷是一种人工制造的多晶体。例如：钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸锶等压电陶瓷外形图压电陶瓷的压电系数比石英晶体的压电系数大得多，因此其灵敏度较高。压电陶瓷制品正压电效应的应用主要用于燃气点火器，基本工作原理是：由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一个数千伏的高压形成放电火花，点燃可燃气体。煤气灶电子点火装置煤气灶电子点火装置如上图所示。当按下手动凸轮开关1时，把气阀6打开，同时凸轮凸出部分推动冲击砧2，使得弹簧3被冲击砧2向左压缩，当凸轮凸出部分离开冲击砧时，由于弹簧弹力作用，冲击砧猛烈撞击陶瓷压电组件4，产生压电效应，从而在正负两极面上产生大量电荷，正负电荷通过高压导线5在尖端放电产生火花，使得燃气被点燃。燃气灶压电陶瓷打火器不仅使用方便，安全可靠，而且使用寿命长，据有关资料介绍，采用压电陶瓷制成的打火器可使用100万次以上。压电陶瓷制品逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，基本工作原理是：当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。应用此特性还可以制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电子元件。高分子压电材料外形图有机压电材料有机压电材料属于新一代的压电材料。主要有压电半导体和高分子压电材料。6.1.1石英晶体的压电效应石英晶体是应用最广的压电晶体。其性能稳定，有天然石英和人造石英。天然石英性能较人造石英更稳定，其介电常数和压电常数的稳定性好，机械强度高，绝缘性好，重复性好，线性范围宽。石英晶体在温度低于573℃时，为α-石英，属六角晶系；高于573℃时，为β-石英，属三角晶系。实验证明，α-石英的压电效应很明显，β-石英的压电效应可以忽略。ZXY理想石英晶体的外形α-石英具有如右图所示的规则的几何形状，它是一个六棱柱，两端是六棱锥；α-石英是各向异性体，即在各个方向晶体性质是不同的。ZXY理想石英晶体的外形在晶体学中，有三根互相垂直的轴：Z轴是晶体的对称轴，光线沿它通过晶体不产生双折射现象，故作为基准轴(称Z轴为光轴)，在该轴方向上没有压电效应；X轴穿过正六棱柱的棱线(称X轴为电轴)，因为六棱柱有三根X轴，可任取一根；Y轴经过正六面体的棱面而垂直于光轴和电轴(称Y轴为机械轴)，Y轴也有三根，可取任一根。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Si4+和氧离子O2-在XY平面投影，如图(a)。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“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。(b)(a)++---YXXY硅氧离子的排列示意图（a）硅氧离子在XY平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影+当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如下图（a）所示。因为P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。如下图（b）所示,此时正负电荷重心不再重合,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）x0。在x轴的正方向出现负电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。这种沿X轴方向施加力，而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图（c）所示,与图（b）情况相似,电偶极矩在x方向上的分量由于P1的增大和P2、P3的减小而不等于零,即（P1+P2+P3）x0。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上不出现电荷。这种沿Y轴方向施加力，而在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应”。当作用力fx、fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。ZXY理想石英晶体的外形如果α-石英晶体在各个方向同时受到均等的作用力（如浸没在液体里），石英晶体将保持电中性。石英晶体晶片若从晶体上沿y方向切下一块如图右图所示晶片,当在电轴方向施加作用力Fx时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，其大小为：xxFdq11式中d11为x方向受力的压电系数。6.3压电式传感器的应用6.3.1压电式测力传感器下图是压电式单向测力传感器的结构图,它主要由石英晶片、绝缘套、电极、上盖及基座等组成。传感器上盖为传力元件,它的外缘壁厚为0.1～0.5mm,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上。压电式单向测力传感器结构图传感器上盖为传力元件,它的外缘壁厚为0.1～0.5mm,当外力作用时,它将产生弹性变形,将力传递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型,利用其纵向压电效应,通过d11实现力—电转换。为了提高传感器的输出灵敏度，可以用两片或多片晶片粘贴在一起。石英晶片的尺寸为φ8×1mm。该传感器的测力范围为0～50N,最小分辨率为0.01,固有频率为50～60kHz,整个传感器重10g。压电式单向测力传感器结构图6.3.2下图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内,并用螺栓加以固定。当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时,压电元件受质量块惯性力的作用,根据牛顿第二定律,此惯性力是加速度的函数,即：F=m·a式中:F——质量块产生的惯性力;m——质量块的质量;a——加速度。此时惯性力F作用于压电元件上,因而产生电荷q,当传感器选定后,m为常数,则传感器输出电荷为：q=d11F=d11ma与加速度a成正比。因此,测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。压电式振动加速度传感器6.3.3下图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。由于压电陶瓷元件的自振频率高,特别适合测量变化剧烈的载荷。图中压电传感器位于车刀前部的下方,当进行切削加工时,切削力通过刀具传给压电传感器,压电传感器将切削力转换为电信号输出,记录下电信号的变化便测得切削力的变化。压电式力传感器压电式力传感器测力动画演示