压电式传感器的国内外现状及发展趋势本科学位论文

硕士研究生课程

《智能传感器技术》（考查）

自选课题

题 目：压电式传感器的国内外现状与发展趋势 学 院： 自动化工程学院

压电式传感器的国内外现状及发展趋势

The Current Situation and Tendency of Piezoelectric Sensor at Home and Aboard

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本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的

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2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。 4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

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3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印 4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档 5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订 3）其它

摘 要

压电式传感器是一种典型的自发电式传感器。它具有灵敏度高、使用频带宽、信噪比高、结构简量轻、工作可靠等优点。压电式传感器正不断地向智能化发展。

文章首先介绍了压电传感器的理论基础即压电效应，压电材料，压电方程以及压电传感器的等效电路。接着又介绍了两种压电式传感器。一是PDVF压电式传

感即由一种新型压电材料PDVF薄膜制作的传感器，分别阐述了PDVF薄膜的优点，压电特性，用其制作的正余弦压电式传感器以及PDVF压电式传感器测量振动梁的物理量的工作原理。二是IEPE压电加速传感器，包括加速传感器的优点，工作原理以及其在振动压路机振动测试中的应用。

关键词：压电式传感；IEPE加速计；加速度传感器；PDVF压电模

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能传感器的范畴”。

目前，国际传感器领域已对“Smart Sensor”定义形成了基本共识。智能传感器从其功能来说是具有一种或多种敏感功能，能够完成信号探测、变换处理、逻辑判断、功能计算、双向通讯，内部可实现自检、自校、自补偿、自诊断、具备以上部分功能或全部功能的器件[3]。

智能传感器技术是一门正在蓬勃发展的现代传感器技术，是涉及微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术及模糊理论等多种学科的综合性技术。在智能传感器发展进程中，由于对其“智能”的理解不断深化，各个时期的学者给予智能传感器的定义也会随着传感器的发展历程的推移而演变。

1983年，美国Honeywell公司研制出第一个智能传感器——用于过程控制的智能压力传感器。在此之后，其它公司纷纷效仿，先后研制出各自的智能传感器产品。这些智能传感器具有反应速度快，能实现非接触测量，精度高、分辨率高和可靠性好等优点，因此在军事、工业检测与控制领域获得广泛应用，也使传感器的智能化倍受关注并获得迅速发展[3]。

智能传感器过去主要用于过程控制，如今在离散自动化领域和商业领域都有广泛应用。尤其是近十年，由于半导体技术的迅速发展，使微控制器的功能不断升级，价格不断下降，从而引起工业传感器设计的革命，也使检测技术的发展跃上一个新台阶。

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第2章 压电传感器的理论基础

2.1压电传感器的基本特性

压电式传感器是以具有压电效应的器件为核心组成的传感器。由于压电效应具有顺、逆两种效应，所以压电器件是一种典型的双向有源传感器。基于这一特性，压电器件已被广泛应用于超声、通信、宇航、雷达和引爆等领域，并与激光、红外、微波等技术相结合，将成为发展新技术和高科技的重要条件”。

2.1.1压电效应

由物理学知，一些离子型晶体的电介质如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等。不仅在电场的作用下，在机械力的作用下也会产生极化现象。主要表现为：

1．在电介质的一定方向上施加机械力作用而产生变形时，就会引起电介质内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化、从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷，如图2-1(a)所示。

图2.1 压电效应

其电位移D(在MKS单位制中即为电荷密度Q)与外应力张量F成正比 D=d·F或Q=d·F (2-1) 式中：d—压电常数。

当外力消失后，电介质又恢复为不带电状态，当外力方向改变时其电荷极性随之改变，这种现象物理学上称为正(顺)压电效应，或简称压电效应。

2．若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正、负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且应变ε与外电场强度E成正比

ε=dt E (2-2) 式中dt—逆压电常数矩阵。

这种现象物理学上称为逆压电效应，或称电致伸缩效应。可见，具有压电性

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的压电材料能够实现机械能与电能的相互转化，如图2-1(b)所示。

2.1.2压电材料

1．人们把具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料可以分为以下三大类：

(1)压电晶体(单晶)它包括压电石英晶体和其它压电单晶； (2)压电陶瓷又称为多晶半导瓷；

(3)新型压电材料主要包括压电半导体和有机高分子压电材料两种。 在传感技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钦酸钡等系列压电陶瓷。

2．压电材料的特性参数主要包括：

(1)压电常数。压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电传感器输出的灵敏度。

(2)弹性常数 压电材料的弹性常数(刚度)决定着压电器件的固有频率和动态特性。

(3)介电常数。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。

(4)机电祸合系数。在压电效应中，转换输出的能量(如电能)与输入的能量〔如机械能)之比的平方根称为机电祸合系数。它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。

(5)电阻。压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。

(6)居里点。压电材料开始丧失压电性的温度称为居里点。

2.1.3压电方程与压电常数

压电元件受力时，在相应表面产生电荷，力与电荷之间的关系为

Q?dijF (2-3)

式中dij—压电系数，单位为C/N。

式(2-3)仅适用于一定尺寸的压电元件，没有普遍意义。为使用方便，常使用下式表示电荷面密度δ与作用应力的关系

??dij? (2-4)

压电系数dij中，角注i表示电学量方向，i=1，2，3分别表示X轴方向、Y轴方向及Z轴方向，j就表示力学量方向，j=1，2，3，4，5，6分别表示在沿X轴、Y轴、Z轴方向作用的正应力和在YOZ平面、ZOX平面及XOY平面作用

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的切应力，如图2-2所示。正应力的符号规定是拉应力为正，压应力为负；切应力的正号规定为自旋转轴的正向看去的逆时针方向：对晶体因受力产生电荷的电场方向作一个规定：当电场方向指向晶轴正向时为正，反之为负。

图2.2 压电元件坐标表示法

根据上述规定，d11表示X轴方向受力，在垂直于X轴的两表面产生的电荷的大小；d31表示X轴方向受力，垂直于Z轴的两表面产生的电荷的大小；晶体在任意受力状态下所产生的电荷面密度可由下列方程组决定

?XX?d11?XX?d12?YY?d13?ZZ?d14?YZ?d15?ZX?d16?XY

?XX?d21?XX?d22?YY?d23?ZZ?d24?YZ?d25?ZX?d26?XY (2-5) ?XX?d31?XX?d32?YY?d33?ZZ?d34?YZ?d35?ZX?d36?XY

这样，压电材料的压电特性可以用它的压电系数矩阵表示为:

?d11D???d21??d31d12d22d32d13d23d33d14d24d34d15d25d35d16?d26?? (2-6) d36??对石英晶体，其压电系数矩阵为：

?d11D???0??0d12000d1400000d2500?d26?? (2-7) 0??根据晶格的对称性有：d12=-d11，d25=-d14，d26=-2d11。实际上，石英晶体中只有d11和d14才有意义。对右旋石英d11=-2.31×10-12 C/N， d14=-0.67×10-12C/N；对左旋石英d11和d14取正号，数值不变。

压电系数矩阵的物理意义是：

(1)矩阵的每一行表示压电元件分别受到X、Y、Z方向正应力，以及YOZ、ZOX、XOY平面内剪应力作用时，相应地在垂直于x轴、Y轴及Z轴表面产生电荷的可能性与大小。

(2)若矩阵中某一dij=0，则表示在该方向上没有压电效应。这说明压电元件

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不是在任何方向都存在压电效应的。相对于空间一定的几何切型，只有在某些方向，在某些力的作用下，才能产生压电效应。

(3)上述石英压电系数矩阵还表示，当石英承受机械应力作用时可通过dij将五种不同的机械效应转化为电效应，也可以通过dij将电效应转化为五种不同模式的振动。

(4)根据压电系数绝对值的大小，可以判断在哪几个方向应力作用时，压电效应最显著。

由上所述，可以清楚地看到，压电系数矩阵是正确选择力/电转换元件、转换类型、转换效率以及晶片几何切型的重要依据，因此合理而灵活地运用压电系数矩阵是设计压电传感器的关键。

对于不同的压电材料，其压电系数矩阵是不同的。钛酸钡陶瓷的压电系数矩阵为：

?0D???0??d3100d3200d330d240d15000?0? ? （2-8）0???12d?190?10C/N 式中：33d31?d32??78?10?12C/N

d15?250?10?12C/N

压电系数dij的物理意义是：在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。“短路条件”是指压电元件的表面电荷从一开始发生就被引开，因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条件。

实际应用中还会遇到如下一些压电常数：

压电电压系数gij：在不计“二次效应”的条件下，每单位应力在晶体内部产生的电势梯度。它在数值上等于压电系数除以晶体的绝对介电常数，即

gij?dij?0?ij (2-9)

式中:

?ij—相对介电常数；

ε0—空间介电常数。

上式中g，d，ε各量应具有相同的下角注。

压电劲度系数dij：在不计“二次效应”的条件下，每单位机械应变在晶体内部产生的电势梯度。其在数值上等于压电电压系数gij和晶体弹性模量Eij，即

dij?gijEij (2-10)

式中，各量的下角注也应相同。

机电耦合系数Kij：它是一个无量纲的数，表示压电体中存储的电能Ecd与其

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