压电式传感器解析PPT教学课件

当这种经极化后的铁电体在受到外力作用时，其剩余极化 强度将随之变化，所以也表现出压电特性。显然这种材料的压 电特性在极化方向上是最显著的。极化方向定义为z轴。
压电陶瓷稳定性较石英晶体差。
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第5章 压电式传感器
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第5章 压电式传感器
压电陶瓷的种类 : ① 钛酸钡压电陶瓷 ② 锆钛酸铅系压电陶瓷，即PZT系压电陶瓷 ③ 铌镁酸铅压电陶瓷（PMN) ④ 铌酸盐系压电陶瓷 需要指出: 通常压电陶瓷如钛酸钡和锆钛酸铅都有明 显的热释电效应。
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第5章 压电式传感器
压电式传感器：利用压电材料的压电效应实现能 量的转换。
当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷， 将机械能转变成电能。
利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和 能转变成力的各种物理量。
由于压电效应是可逆的，在压电材料的一定方向 施加电场1 ，它就会产生变形，因此压电传感器是双向 传感器。
qCaUa
Ua
q Ca
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第5章 压电式传感器
5.2.2测量电路
1.引言 压电传感器的输出信号非常微弱，要将其进行放大
才能测量出来。 压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放
大的。而且，除阻抗匹配的问题外，连接电缆的长度、 噪声都是突出的问题。
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居里点：573℃ 石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好。 机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温 度变化导致电荷释放），绝缘性能相当好。
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第5章 压电式传感器
压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单 晶组成。 1）极化前
它具有类似铁畴材料磁畴结构的“电畴”结构。 特点： “电畴”是分子自发的极化区域，各单晶的自发极化方向完全 是任意排列的，虽然每个单晶具有强压电性质，但是组成多晶 后，各单晶的压电效应却互相抵消了。
QdF Qx d11Fx
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第5章 压电式传感器
压电晶体的三种压电效应 b) 横向压电效应
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第5章 压电式传感器
压电晶体的三种压电效应 c) 切向压电效应
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第5章 压电式传感器
石英是具有良好压电效应的一种压电晶体。在20～ 200℃范围内压电常数的温度变化率约是-0.016%/℃， 在温度较低时，压电常数的变化很小。
一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器,晶体上聚
集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间
物质等效于一种介质,则其电容量为 21
Ca
r0A
d
式中: A——压电片的面积; d——压电片的厚度;
εr ——压电材料的相对介电常数。
➢ 电荷等效电路
第5章 压电式传感器
➢电压等效电路
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外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； ④ 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较
宽的工作温度范围； ⑤ 时间稳定性 : 压电特性不随时间蜕变。
单晶体：石英晶体等
压电晶体分类： 多晶体：压电陶瓷等
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第5章 压电式传感器
石英晶体
石英晶体有天然的石英和人工石英 单晶体两种。
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第5章 压电式传感器
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压力变送器部件
压电传感器的外形
压力变送器
各种小巧的压力传感器
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第5章 压电式传感器
5.2.1 压电式传感器的工作原理
★正压电效应：有些材料，当沿着一定方向对其施力而使它变 形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号 相反的电荷；当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。当 作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。 ★逆压电效应：在这些材料的极化方向施加电场，它们就会产 生变形，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效 应”。 压电材料：具有压电效应的材料称为压电材料。
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第5章 压电式传感器
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压电转换元件受力变形的几种基本形式
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第5章 压电式传感器
石英晶体受力方向与电荷极性的关系
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第5章 压电式传感器
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第5章 压电式传感器
压电常数
压电材料的性能常用压电常数来表征。 以晶体为例， 设有一用晶体制成的压电元件受到力F作用， 在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关 系：
QdF
d —压电常数
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第5章 压电式传感器
5.2.1 压电材料
选择压电材料的要求： ① 转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数； ② 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高，
机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率； ③ 电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱
原始的压电陶瓷是一个非压电体，它不具有压电性质。15
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第5章 压电式传感器
压电陶瓷
2）极化后 极化处理：在一定 温度下，对压电陶瓷施加强电场， 使极性转动到20/10/16
这个方向就是压电陶瓷的极化方向，在极化方向下，各向 同性受到破坏，但在垂直的平面上，仍保持各向同性。当电场 丢掉后，压电陶瓷仍存在着很强的剩余极化，类似于铁磁物质 在磁场中被磁化的现象，它们被极化的过程和铁磁材料被磁化 的过程极其相似。
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第5章 压电式传感器
（3）厚度剪切变形 利用剪切压电效应的
压电元件除采用片状结构 形式外，还可采用管状压 电陶瓷，这种结构的极化 方向有平行于轴线的和径 向的两种。
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第5章 压电式传感器
§ 5.2.2 压电传感器的等效电路
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由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作
结构：石英晶体属六方晶体，有 右旋石英晶体和左旋石英晶体之 分，其理想外形共包括三十个晶
面，分成五组。以 m、R、r、s和
x表示。六个m面也称柱面，六个 R面也称大棱面，六个面r也称为 小棱面，还有六个s面和六个x面。
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第5章 压电式传感器
压电晶体的三种压电效应 a) 纵向压电效应