1、6.16.1壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料6.26.2壓電傳感器測量電路壓電傳感器測量電路6.36.3壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用第第6 6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器第第6 6章章 壓電式傳感器壓電式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是基于壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應某些介質材料的壓電效應, 是是典型的典型的有源傳感器有源傳感器。 當材料當材料受力作用受力作用而而變形變形時時, 其其表面會有電荷表面會有電荷產生，從而實現非產生，從而實現非電量測量。電量測量。 壓電傳感元件是壓電傳感元件是力敏感元件力敏感元件，所以它能，所以它能測量測量最終能變換為力的最終能變

2、換為力的那些物理量那些物理量，例如力、壓力、加速度等。，例如力、壓力、加速度等。 壓電式傳感器具有體積小壓電式傳感器具有體積小, 重量輕重量輕, 工作頻帶寬等特點工作頻帶寬等特點, 因此在因此在各種動態力、各種動態力、 機械沖擊與振動的測量機械沖擊與振動的測量, 以及聲學、以及聲學、 醫學、力學、宇醫學、力學、宇航等方面都得到了非常廣泛的應用。航等方面都得到了非常廣泛的應用。 壓電式傳感器是基于某些物質的壓電效應原理工作的。按轉換壓電式傳感器是基于某些物質的壓電效應原理工作的。按轉換方式壓電效應可以分為方式壓電效應可以分為正壓電效應正壓電效應和和逆壓電效應逆壓電效應。6.1 6.1 壓電效應及

3、壓電材料壓電效應及壓電材料雅克雅克居里（居里（Jacques Curie）（1856年年10月月29日日-1941年），年），法國物理學家，蒙彼利埃大法國物理學家，蒙彼利埃大學教授。學教授。皮埃爾皮埃爾居里居里 (Pierre Curie) (1859 -1906)居里兄弟居里兄弟壓電效應壓電效應 他們發現了一些晶體在某一特定他們發現了一些晶體在某一特定方向上受壓時，在它們的表面上會出方向上受壓時，在它們的表面上會出現正或負電荷，這些電荷與壓力的大現正或負電荷，這些電荷與壓力的大小成正比，而當壓力排除之后電荷也小成正比，而當壓力排除之后電荷也消失。消失。 1881年，他們發表了關于石英與年，他

4、們發表了關于石英與電氣石中壓電效應的精確測量。電氣石中壓電效應的精確測量。 1 8 8 2 年 ， 他 們 證 實 了 李 普 曼年 ， 他 們 證 實 了 李 普 曼(GLippmann)關于逆效應的預言：電關于逆效應的預言：電場引起壓電晶體產生微小的收縮。場引起壓電晶體產生微小的收縮。 利用壓電現象，他們還設計了一利用壓電現象，他們還設計了一種種壓電石英靜電計壓電石英靜電計居里計居里計。 某些電介質某些電介質, 當沿著一定方向對其施力而使它變形時當沿著一定方向對其施力而使它變形時, 其內部其內部就產生極化現象就產生極化現象, 同時在它的兩個表面上便產生符號相反的電荷同時在它的兩個表面上便產

5、生符號相反的電荷, 當外力去掉后當外力去掉后, 其又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱其又重新恢復到不帶電狀態，這種現象稱壓電效應壓電效應。當作用力方向改變時當作用力方向改變時, 電荷的極性也隨之改變。電荷的極性也隨之改變。 正壓電效應是一種沒有外電場作用只是形變產生的極化現象，正壓電效應是一種沒有外電場作用只是形變產生的極化現象，有時人們把這種有時人們把這種機械能轉為電能機械能轉為電能的現象的現象, 稱為稱為“正壓電效應正壓電效應” 。電介質在沿一定方向上受到外力電介質在沿一定方向上受到外力 產生變形產生變形 外力去掉，回到不帶電狀態外力去掉，回到不帶電狀態 內部產生極化現象，表面產生電荷內部

6、產生極化現象，表面產生電荷 壓電效應動畫演示壓電效應動畫演示 反之，在電介質的極化方向上施加電場，它會產生機械變形，當去掉外反之，在電介質的極化方向上施加電場，它會產生機械變形，當去掉外加電場后，電介質的變形隨之消失。這種將電能轉換為機械能的現象稱為加電場后，電介質的變形隨之消失。這種將電能轉換為機械能的現象稱為“逆壓電效應逆壓電效應”（電致伸縮效應電致伸縮效應）。）。極化方向上施加交變電場極化方向上施加交變電場 產生機械變形產生機械變形 去外加電場，變形消失去外加電場，變形消失 逆壓電效應動畫演示逆壓電效應動畫演示 具有壓電效應的材料稱為具有壓電效應的材料稱為壓電材料壓電材料, 壓電材料能實

7、現壓電材料能實現機機電能電能量的相互轉換量的相互轉換, 如下圖所示。如下圖所示。 壓電材料壓電材料（1 1）壓電晶體）壓電晶體 石英晶體外形圖石英晶體外形圖 （1 1）壓電晶體）壓電晶體 天然形成的石英晶體外形圖天然形成的石英晶體外形圖 （2 2）壓電陶瓷）壓電陶瓷 壓電陶瓷外形圖壓電陶瓷外形圖 壓電陶瓷的壓電陶瓷的壓電系數比石英晶體的壓電系數大得多壓電系數比石英晶體的壓電系數大得多，因此其，因此其靈靈敏度較高敏度較高。 壓電陶瓷壓電陶瓷制品制品正壓電效應正壓電效應的應用主要用于的應用主要用于燃氣點火器燃氣點火器，基本工作原理是：，基本工作原理是：由外力壓縮一個彈簧并釋放，推動一個重錘打擊壓電

8、陶瓷柱產生一個數千伏由外力壓縮一個彈簧并釋放，推動一個重錘打擊壓電陶瓷柱產生一個數千伏的高壓形成放電火花，點燃可燃氣體。的高壓形成放電火花，點燃可燃氣體。 煤氣灶電子點火裝置煤氣灶電子點火裝置 煤氣灶電子點火裝置如上圖所示。當按下手動凸輪開關煤氣灶電子點火裝置如上圖所示。當按下手動凸輪開關1時，把氣閥時，把氣閥6打打開，同時凸輪凸出部分推動沖擊砧開，同時凸輪凸出部分推動沖擊砧2，使得彈簧，使得彈簧3被沖擊砧被沖擊砧2向左壓縮，當凸向左壓縮，當凸輪凸出部分離開沖擊砧時，由于彈簧彈力作用，沖擊砧猛烈撞擊陶瓷壓電組輪凸出部分離開沖擊砧時，由于彈簧彈力作用，沖擊砧猛烈撞擊陶瓷壓電組件件4，產生壓電效應

9、，從而在正負兩極面上產生大量電荷，正負電荷通過高，產生壓電效應，從而在正負兩極面上產生大量電荷，正負電荷通過高壓導線壓導線5在尖端放電產生火花，使得燃氣被點燃。在尖端放電產生火花，使得燃氣被點燃。 燃氣灶壓電陶瓷打火器不僅使用方便，安全可靠，而且使用壽命長，據燃氣灶壓電陶瓷打火器不僅使用方便，安全可靠，而且使用壽命長，據有關資料介紹，采用壓電陶瓷制成的打火器有關資料介紹，采用壓電陶瓷制成的打火器可使用可使用100萬次以上萬次以上。 壓電陶瓷壓電陶瓷制品制品逆壓電效應逆壓電效應的應用主要用于的應用主要用于壓電蜂鳴器壓電蜂鳴器，基本工，基本工作原理是：當壓電陶瓷片施加交變電場時，壓電陶瓷片產生形變

10、即作原理是：當壓電陶瓷片施加交變電場時，壓電陶瓷片產生形變即振動，如果振動頻率在音頻范圍內就會發出聲音。振動，如果振動頻率在音頻范圍內就會發出聲音。 應用此特性還可以制造諧振器、選頻器、延遲線、濾波器等電應用此特性還可以制造諧振器、選頻器、延遲線、濾波器等電子元件。子元件。高分子壓電材料外形圖高分子壓電材料外形圖 有機壓電材料有機壓電材料 有機壓電材料屬于新一代的壓電材料。有機壓電材料屬于新一代的壓電材料。主要有主要有壓電半導體壓電半導體和和高分子壓電材料高分子壓電材料。 ZXY理想石英晶體的外形理想石英晶體的外形 - -石英具有如右圖所示的規則的石英具有如右圖所示的規則的幾何形狀，它是一個六

11、棱柱，兩端是幾何形狀，它是一個六棱柱，兩端是六棱錐；六棱錐；-石英是各向異性體，即在石英是各向異性體，即在各個方向晶體性質是不同的。各個方向晶體性質是不同的。 ZXY 在晶體學中，有三根互相垂直的軸：在晶體學中，有三根互相垂直的軸： Z Z軸是晶體的對稱軸，光線沿它通過軸是晶體的對稱軸，光線沿它通過晶體不產生雙折射現象，故作為基準軸晶體不產生雙折射現象，故作為基準軸( (稱稱Z Z軸為軸為光軸光軸) )，在該軸方向上沒有壓電在該軸方向上沒有壓電效應效應； X X軸穿過正六棱柱的棱線軸穿過正六棱柱的棱線( (稱稱X X軸為軸為電電軸軸) )，因為六棱柱有三根，因為六棱柱有三根X X軸，可任取一根

12、；軸，可任取一根； Y Y軸經過正六面體的棱面而垂直于光軸和電軸軸經過正六面體的棱面而垂直于光軸和電軸( (稱稱Y Y軸為軸為機機械軸械軸) )，Y Y軸也有三根，可取任一根。軸也有三根，可取任一根。 石英晶體具有壓電效應，是由其內部結構決定的。組成石英晶體具有壓電效應，是由其內部結構決定的。組成石英晶體的硅離子石英晶體的硅離子SiSi4+4+和氧離子和氧離子O O2-2-在在XYXY平面投影，如圖平面投影，如圖(a)(a)。為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖為討論方便，將這些硅、氧離子等效為圖(b)(b)中正六邊形排列，中正六邊形排列，圖中圖中“”代表代表SiSi4+4+，“”代表代表2O

13、2O2-2-。 ( (b b) )( (a a) )YXXY硅氧離子的排列示意圖硅氧離子的排列示意圖（a a）硅氧離子在）硅氧離子在XYXY平面上的投影平面上的投影（b b）等效為正六邊形排列的投影）等效為正六邊形排列的投影 當石英晶體未受外力作用時當石英晶體未受外力作用時, , 正、負離子正好分布在正正、負離子正好分布在正六邊形的頂角上六邊形的頂角上, , 形成三個互成形成三個互成120120夾角的電偶極矩夾角的電偶極矩P P1 1、 P P2 2、P P3 3。 如下圖（如下圖（a a）所示。）所示。 因為因為P=qL, qP=qL, q為電荷量為電荷量, L, L為正負電荷之間距離。為正

14、負電荷之間距離。 此時正此時正負電荷重心重合負電荷重心重合, , 電偶極矩的矢量和等于零電偶極矩的矢量和等于零, , 即即P P1 1+P+P2 2+P+P3 3 = 0, = 0, 所以晶體表面不產生電荷所以晶體表面不產生電荷, , 即呈中性。即呈中性。 當石英晶體受到沿當石英晶體受到沿x x軸方向的壓力作用時軸方向的壓力作用時, , 晶體沿晶體沿x x方向方向將產生壓縮變形將產生壓縮變形, , 正負離子的相對位置也隨之變動。如下圖正負離子的相對位置也隨之變動。如下圖 （b b）所示）所示, , 此時正負電荷重心不再重合此時正負電荷重心不再重合, , 電偶極矩在電偶極矩在x x方向方向上的分

15、量由于上的分量由于P P1 1的減小和的減小和P P2 2、P P3 3的增加而不等于零的增加而不等于零, , 即即（P P1 1+P+P2 2+P+P3 3）x x 0 0 0 。在。在x x軸上出現電荷軸上出現電荷, , 它的極性為它的極性為x x軸正向為正電荷。在軸正向為正電荷。在y y軸軸方向上不出現電荷。方向上不出現電荷。 這種沿這種沿Y Y軸方向施加力，而在垂直于軸方向施加力，而在垂直于X X軸的晶體表面上產軸的晶體表面上產生電荷的現象，稱為生電荷的現象，稱為“橫向壓電效應橫向壓電效應”。 當作用力當作用力f fx x、f fy y的方向相反時的方向相反時, , 電荷的極性也隨之改

16、變。電荷的極性也隨之改變。 如果沿如果沿z z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, , 因為晶體在因為晶體在x x方向和方向和y y方向所產生的形變完全相同方向所產生的形變完全相同, , 所以正負所以正負電荷重心保持重合電荷重心保持重合, , 電偶極矩矢量和等于零。電偶極矩矢量和等于零。這表明沿這表明沿z z軸方向施加作用力軸方向施加作用力, , 晶體不會產生壓晶體不會產生壓電效應。電效應。 ZXY 如果如果-石英晶體在各個方向同時受到均等的作用力（如浸沒石英晶體在各個方向同時受到均等的作用力（如浸沒在液體里），石英晶體將保持電中性。在液體里），石英晶體將保持電中性。 石英晶體晶片石英晶體晶片

17、若從晶體上沿若從晶體上沿y y方向切下一塊如圖右方向切下一塊如圖右圖所示晶片圖所示晶片, , 當在電軸方向施加作用力當在電軸方向施加作用力F Fx x時時, , 在與電軸在與電軸x x垂直的平面上將產生電荷，垂直的平面上將產生電荷，其大小為：其大小為：xxFdq11 式中式中d11為為x方向受力的壓電系數。方向受力的壓電系數。6.3 6.3 壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 下圖是壓電式單向測力傳感器的結構圖下圖是壓電式單向測力傳感器的結構圖, , 它主要由石英晶片、它主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。 傳感器上蓋為傳力元件傳感器上蓋為傳力元

18、件, , 它的外緣壁厚為它的外緣壁厚為0.10.10.5mm, 0.5mm, 當外力當外力作用時作用時, , 它將產生彈性變形它將產生彈性變形, , 將力傳遞到石英晶片上。將力傳遞到石英晶片上。壓電式單向測力傳感器結構圖壓電式單向測力傳感器結構圖 傳感器上蓋為傳力元件傳感器上蓋為傳力元件, , 它的外緣壁厚為它的外緣壁厚為0.10.10.5mm, 0.5mm, 當外力當外力作用時作用時, , 它將產生彈性變形它將產生彈性變形, , 將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用用xyxy切型切型, , 利用其利用其縱向壓電效應縱向壓電效應, , 通過通過d d1111實現力

19、實現力電轉換。為了提電轉換。為了提高傳感器的輸出靈敏度，可以用兩片或多片晶片粘貼在一起。高傳感器的輸出靈敏度，可以用兩片或多片晶片粘貼在一起。 石英晶片的尺寸為石英晶片的尺寸為881mm1mm。該傳感器的測力范圍為。該傳感器的測力范圍為0 050N, 50N, 最小分辨率為最小分辨率為0.01, 0.01, 固有頻率為固有頻率為505060kHz, 60kHz, 整個傳感器重整個傳感器重10g10g。 壓電式單向測力傳感器結構圖壓電式單向測力傳感器結構圖 下圖是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。下圖是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。 它主要由壓電元它主要由壓電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。 整個部件裝在外殼整個部件裝在外殼內內, , 并用螺栓加以固定。并用螺栓加以固定。 當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時, , 壓電元件受質壓電元件受質量塊慣性力的作用量塊慣性