第06章 压电式传感器 40页 0.3M

二、压电效应的基本原理
常见的压电材料可分为两类： 压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
压电单晶体： 石英(包括天然石英和人造石 英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾 钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、 硫酸锤等)。
多晶体压电陶瓷： 钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系 压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌 镁酸铅压电陶瓷等。
天然石英
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
q12
d12
a b
Fy
x
b
z
d11
a b
FyxΒιβλιοθήκη yd11 = -d12 ，石英晶体轴对称条件。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
Fx- -
++
- P1 +
P3 - + x
-
P2
+
- - ++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
在x轴的正向出现正电荷，在y、 z方向不出现电荷。
Fx<0 y
Fx- -
+ + Fx
- P1 +
P3 + -
x
-
P2
+
--
++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体 压电材料。

轴（垂直于 正六面体的 棱面）称为 机械轴
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6.1 工作原理
天然形成的石英晶体外形
第6章 压电式传感器
检测技术
6.1 工作原理
天然形成的石英晶体外形
第6章 压电式传感器
检测技术
6.1 工作原理
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
第6章 压电式传感器
双面镀银并封装
检测技术
6.1 工作原理
人工合成水晶
检测技术
第6章 压电式传感器
6.1 工作原理
（2）压电陶瓷(多晶体)
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它 具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长 (a)极化处理前
(b)极化处理中 压电陶瓷
剩余伸长 (c)极化处理后
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6.1 工作原理
z
o
x
y
x
z z
b o
o
y
x
cy
a
(a)晶体外形
(b)轴定义
X轴向受力： qx d11 fx
Y轴向受力： qyd12b afyd11b afy
Z轴向受力：无
(c)切割晶片
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第6章 压电式传感器
6.1 工作原理
x
y o
fx
-----------
++++++++
fx
++++++++
-----------
正压电效应
机械能
压电介质

外形结构
光轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象， 该方向没有压电效应。
电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效 应最显著。
机械轴（Y轴）：垂直XZ面，在电场作用下，该轴方向的机 械变形最大。
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6.1 压电效应
1.1 石英晶体的压电效应
天然形成的石英晶体外形
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1 压电效应
当力作用在晶片时，在 上下表面产生电荷。
当动态力变为静态力时， 电荷将由于表面漏电而 很快泄漏、消失。
随着作用力的减小，积 累电荷数减少。
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变；输 出电压的频率与动态力的频率相同。
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6.1 压电效应
压电效应能量转换的几种基本形式
厚度受压型
长度受压型
12
1 压电效应
压电式传感器
1
压电式传感器
1 压电效应 2 压电材料 3 等效电路 4 测量电路 5 压电式传感器的应用举例 6 影响压电式传感器精度的因素分析 本章要点
2
点火针
燃烧盘
手动开关
气阀
气源
高压线
压电晶体
5
煤气灶电子点火器
绪论
压电传感器是一种典型的发电型传感器，以压 电材料(晶体)的压电效应为基础，在外力作用下在 晶体表面产生电荷，从而实现非电量测量，压电 式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进 行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到 广泛的应用。
p1
p2p30266.1 压电效应
d）受到Z方向的力—没有压电效应产生
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

(e) 体积变形： (f) 弯曲变形： 见下页图
图6-6 压电效应的几种类型 (a) 厚度变形 (b) 长度变形
(c) 面剪切变形
(d) 厚度剪切变形 (e) 体积变形
三、压电元件常用的结构形式 （二）压电元件的串并联：把两片或两片以上压电元件组合在 一起，用来产生足够量的表面电荷。 1、压电元件的并联：见右图 3个晶片连接， 所有正电荷连接在一起形成正极， 所有负电荷连接在一起形成负极。 得到： 总电容 C’=3C 总电压 U’=U 总电量 Q’=3Q
最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它的压电系数约为石 英的50倍, 但使用温度较低, 最高只有70℃, 温度稳定性和机械强度都不如 石英。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系列）, 它是钛酸 钡（BaTiO3)和锆酸铅（PbZrO3）组成的 。它有较高的压电系数和较高的 工作温度。铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。 它由铌镁酸 铅(Pb（Mg ·Nb ）O3)、 锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比例配 成的不同性能的压电陶瓷, 具有极高的压电系数和较高的工作温度, 而且能 承受较高的压力。
第六章 压 电 式 传 感 器
概述 该传感器主要利用物体的压电效应实现对被测量的测量。 压电效应是可逆的。包括正压电效应和负压电效应。 结构简单,固有频率高,灵敏度和信噪比高 无静态输出,阻抗高,需要低电容的低噪声电缆, 工作温度2500 C
§6-1 压电效应
§6-2 压电式传感器的等效电路和测量电路
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3 压电聚合物PVDF(聚偏二氟乙烯)
1969年发现，PVDF(聚偏二氟乙烯)是一种高分子材料，具 有很强的压电特性。
主要优点：压电系数比石英晶体高十多倍, 所以压电灵敏度 较高。柔韧性好，强度高，耐冲击，频响宽； 化学性质稳定 ；声阻抗和人体肌肉、水的声阻抗很接近，可以作为水听器 材和医用传感材料（脉搏计，血压计等）。