《自动检测技术与仪表》课程设计

《自动检测技术与仪表》课程设计

------压电传感器及其应用

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指导教师：

昆明理工大学

2013年1月5日

摘要

压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器。所谓压电效应是指某些电介质在受到某一方向的外力作用而发生形变（包括弯曲和伸缩形变）时，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。

关键词：工作原理；组成结构；测量原理图；特性及参数选择；应用；发展趋势

目录

第一章引言 (4)

1.1 背景介绍 (4)

1.2 目的和意义 (4)

第二章压电效应 (5)

2.1压电效应 (5)

2.2 压电方程 (5)

2.2.1电学边界条件 (5)

2.2.2第一类压电方程 (6)

2.2.3第二类压电方程 (6)

2.2.4第三类压电方程 (6)

2.2.5第四类压电方程 (7)

第三章压电材料 (8)

3.1 石英晶体 (8)

3.2 新型压电材料 (8)

第四章压电传感器的测量电路 (9)

4.1 压电晶片的连接方式 (9)

4.2 压电传感器的等效电路 (10)

4.3 压电式传感器的测量电路 (11)

4.3.1电压放大器（阻抗变换器） (12)

4.3.2电荷放大器 (13)

第五章压电传感器及其应用 (15)

5.1 基本应用 (15)

5.2 加速度传感器 (15)

5.2.1工作原理 (16)

5.2.2结构形式 (16)

5.2.3特性曲线 (17)

5.2.4加速度计的固定方法 (17)

5.3 实际案例分析 (17)

5.4 压电传感器的发展趋势 (18)

5.5总结 (18)

参考文献 (19)

第一章引言

1.1 背景介绍

压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。

压电式传感器的应用:压电传感器结构简单、体积小、质量小、功耗小、寿命长，特别是它具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。

1.2 目的和意义

课程设计是专业课《自动检测技术及仪表》课程教学中的重要组成环节，其目的是通过课程设计的教学实践，使学生对所学的基础理论和专业知识得到巩固，并使学生得到运用所学理论知识解决实际问题的初步认识和锻炼。掌握相关课题的资料收集、整理；方案的设计和对比；提高学生的分析、综合能力以及工程设计中计算和绘图的基本能力，为后续的毕业设计和工程实践作必要的准备。

课程设计的主要任务是使学生掌握相关传感器或检测仪表的原理、结构及在工程中的实际应用。

同时，在课程设计的过程中，能够锻炼同学们解决问题和分析问题的能力。在此基础上，能够对所设计的传感器或仪表得到更进一步地认识和了解，为以后学习更深的知识打下扎实的基础。

第二章压电效应

2.1压电效应

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。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

2.2 压电方程

压电材料的压电性涉及到力学和电学之间的相互作用，而压电方程就是描述晶体的力学量和电学量之间的相互关系的表达式。但是由于应用状态和测试条件的不同，压电晶片（振子）可以处在不同的电学边界条件和机械边界条件下，即压电方程的独立变量可以任意选择，所以根据机械自由和机械夹持的机械边界条件与电学短路和电学开路的电学边界条件，描述压电材料的压电效应的方程共有4类，即d型、e型、g型、h型。四类边界条件为：

2.2.1电学边界条件

短路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻小得多，可认为外电

路处于短路状态。这时电极面所累积的电荷由于短路而流走，电压保持

不变。它的上标用E表示。

开路：两电极间外电路的电阻比压电陶瓷片的内阻大得多，可认为外电路处于开路状态。这时电极上的自由电荷保持不变，电

位移保持不变。它的上标用D表示。

（2）机械边界条件

自由：用夹具把压电陶瓷片的中间夹住，边界上的应力为零，即片子的边界条件是机械自由的，片子可以自由变形。它的上标

用T表示。

夹紧：用刚性夹具把压电陶瓷的边缘固定，边界上的应变为零，即片子的边界条件是机械夹紧的。它的上标用S表示。

四类边界条件对应四类压电方程，根据不同的边界条件选择不同的压电方程。

第一类压电方程边界条件为机械自由和电学短路，应力T和电场强度E为自变量，应变S和电位移D为因变量。方程为：

式中，第一个方程叙述了正压电效应，而第二个方程叙述了逆压电效应。

式中d为压电常数，dT—d的转置；s—弹性柔顺常数；ε—介电常数。而εT 和sE分别表示应力恒定时的介电常数和场强恒定时的弹性柔顺系数。

2.2.3第二类压电方程

湿敏元件比来表示灵敏度。第二类压电方程边界条件为机械夹持和电学短路，应变S和电场强度E为自变量，应力T和电位移D为因变量（ansys中所应用的就是这个方程）：

式中，c—弹性刚度常数；e—压电应力系数；et—e的转置。εS为应变恒定时的介电常数（夹紧介电常数），cE为场强恒定时（短路）的弹性刚度系数。

2.2.4第三类压电方程

第三类压电方程边界条件为机械自由和电学开路，应力T和电位移D为自变量，应变S和电场强度E为因变量：

式中，β—自由倒介电常数；g—压电应变常数；gT—g的转置。βT为恒应

力作用下的介质的隔离率。sD为恒电位移（开路）时弹性柔顺系数。

第四类压电方程边界条件为机械夹持和电学开路，应变S和电位移D为自变量，应力T和电场强度E为因变量：

式中，h—压电应力常数；ht—h的转置。βS为恒应变下（夹紧）的介质隔离率；cD为恒电位移（开路）时弹性刚度系数。

理解并掌握了压电理论的基础知识、熟悉压电陶瓷的极化和压电方程等对于全面理解压电换能器的工作原理提供了相关的理论基础，因此是十分必要的。

第三章压电材料

3.1 石英晶体

典型的石英的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英（b-石英）。

低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理。受压或受热能产生电效应。

3.2 新型压电材料

迄今为止，压电材料使用钛氧锆铅（PZT），而此次开发的材料不含铅成分，可实现高性能，对环境无害的传感器及换能器制造。这种钛氧钡系列的压电材料，是日本物质材料研究机构的研究人员任晓兵开发出的。压电材料具有增加电压产生伸缩、增加压力产生电压的特性，广泛应用于电能与机械能互相转换的换能器制造，是蜂鸣器、喷墨印刷机等不可缺少的材料。

压电材料利用正离子与负离子的中心移动这一性质，增加电场，使离子轻微移动。但在原理上，最大只能移动0.01%距离。此次研究小组利用新原理开发的压电材料正离子与负离子中心移动时产生的偶极矩电极化的区域，在增加电场之后沿电压方向一齐发生变化，实现了可逆性的巨大电致伸缩效应。在理论上可实现最大5%的移动。

该材料应用于超声成像（特别是医用超声成像）、声纳、微驱动器等器件可使其性能有重大提高。

第四章 压电传感器的测量电路

4.1 压电晶片的连接方式

在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，组成压电式传感器的晶片不止一片，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起。粘结的方法有两种，即并联和串联。

并联方法两片压电晶片的负电荷集中在中间电极上，正电荷集中在两侧的电极上，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。

串联方法正电荷集中于上极板，负电荷集中于下极板，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。

C

C U U q q 22='='='；；C C U U q q 212='='='；；

在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜

用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压大，本

身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。

4.2 压电传感器的等效电路

当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的

电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。

当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为

δεεδεS S C r a 0=

=

a

a C q U

=