第6章 压电传感器PPT课件

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6.2 压电材料
2) 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的固溶体Pb（ ZrTi）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里 点温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小 ，时间稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两 种其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可 以获得不同性能的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电 陶瓷是目前压电式传感器中应用最广泛的压电材料 。
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6.1 压电效应
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6.1 压电效应
➢ 晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面） 作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上 产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：
电荷密度： q d33
d33——压电陶瓷的纵向压电常数， d33 比d11、 d12大的多， 所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高
电能
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6.1 压电效应
石英晶体的压电效应演示
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
根据dij大小可以确定在哪个方向上压电效应最显著第30页共92页3232动画演示动画演示石英晶体压电模型动画演石英晶体压电模型动画演第31页共92页333312压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工合成的经过极化处理后的多晶铁电体烧制后的原始陶瓷分子自发形成的区域有一定的极性存在一定电场在一定温度下施加强直流电场迫使电畴趋向外电场方向做规则排列电场去掉后趋向电畴基本保持不变形成很强的剩余极化呈现出压电特性第32页共92页34346161压电陶瓷与石英晶体不同前者是人工制造的多晶体压电材料而后者是单晶体

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当晶•体单受击到此沿处x方编向辑的母拉版力（文F本x ＞样0式）作用时，其变化情
况如•图第5-二3（级c）所示。电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，
此时•••它第 第 第(((们PPP三四五111在+++级级级PPPx222、+++yPPP、333)))zyzx三==<000个方向上的F分+++x 量+ 为-P1
方向的力 Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z 方向同样不产生压电效应。
2020/8/19 6
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• 第式二中级： Qy d12 Fy
• 第ad、1三2—b级———y轴晶方体向切受片力长的度压和电厚系度数。， d12 d11 •电第荷Q四x级和Qy • 第五级
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如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分
别•平单行击于Z此-Z处、编Y-辑Y、母X版-X文轴本线样。晶式片在正常情况下呈 现•电第性二。通级常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电 效•应第称三为“级纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的 作•用第力四产生级的压电效应称为“横向压电效应”，沿光 轴•(Z第轴五)方级向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加
+-
P2
y
+ P3 +
F- x -x -
(c) Fx>0
在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。

沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电
荷， 其大小为
qx d11Fx
(6-2)
式中, d11为x方向受力的压电系数。
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若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则电荷仍 在与x轴垂直的平面上产生，其大小为
qy
d12
a b
Fy
(6-3)
式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11；
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
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表6-1 常用压电材料的性能参数
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6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
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石英晶体具有压电效应与内部分子结构有关。图6-3 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，将 硅离子和氧离子在垂直于晶体z轴的xy平面上进行投影， 等效为一个正六边形排列。
当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶
极矩P1、P2、P3。 如图6-4（a）所示。
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压电材料的压电特性可以用压电方程表示，其矩阵形式是： 定义压电系数矩阵D为：
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压电系数矩阵D是正确选择压电元件、受力状态、变形方 式、能量转换率以及晶片几何切型的重要依据。石英晶体压电 系数矩阵可表示为
式中独立的压电系数是d11和d14；压电系数矩阵可表示为：
其中独立的压电系数是d33、d31和d15三个。

电路并联
电路串联
C 2C,Q ' 2Q,U ' U C ' C ,U ' 2U ,Q ' Q
2
U’
+++++++++++ +
____________ _
___________
+++++++++++
+ _
U’
+++++++++++ + ___________ _ ++ + + + + + + + + + + _ ____________ +
第六章 压电传感器
主要内容
1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用
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概述
压电式传感器是一种典型的自发电型传感 器，以电介质的压电效应为基础，外力作用 下在电介质表面产生电荷，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。
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聚偏氟乙烯压电材料
聚 偏 氟 乙 烯 压 电 效 应
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高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
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压电式脚踏报警器
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6.3 压电元件结构形式
单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传 感器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或两 片以上）同型号的压电元件粘结在一起。 由于压电材 料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。

因此，必须作极化处理，即在一定温度下对其施加强 直流电场，迫使电畴趋向外电场方向作规则排列；极化电 场去除后，趋向电畴基本保持不变，形成很强的剩余极化， 从而呈现出压电性。
第6章 压电式传感器
压电陶瓷材料
第6章 压电式传感器 压电陶瓷极化
4BaTiO3压电陶瓷的极化
第6章 压电式传感器
压电陶瓷的特点 ➢ 压电常数大 ➢ 灵敏度高 ➢ 制造工艺成熟 ➢ 成形工艺性好 ➢ 成本低廉，利于广泛应用
第6章 压电式传感器
压电材料
普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的 钛酸钡和锆钛酸铅系列压电陶瓷。
⑴ 石英晶体(SiO2) 石英晶体俗称水晶，有天然和人工之分。目前传感器中使
用的均是以居里点为573℃，晶体的结构为六角晶系的α-石 英。其外形如图所示，呈六角棱柱体。有m、R、r、s、x共5 组30个晶面组成
第6章 压电式传感器
第一节 压电效应及材料
压电效应（Piezoelectric Effect）
一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且
在机械力作用下，都会产生极化现象。且其电位移D(在
MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比：
D = dT
(6-1)
式中 d——压电常数矩阵。
当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向， 电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压 电效应。
第6章 压电式传感器
三元系压电陶瓷 目前应用的PMN，它由铌镁酸铅
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3钛酸铅PbTiO3-锆钛酸铅PbZrO3三 成分配比而成。它具有较高的压电系数和较高的工 作温度，而且能承受较高的压力。
另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿性能 的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。

二、石英晶体的压电效应
石英晶体有三个晶轴 Z轴：光轴，在Z轴方向上没有压电效应。 X轴：电轴，经过晶体棱线，沿X轴施加作用力后的压
电效应称为纵向压电效应。 Y轴：机械轴，垂直于棱面，沿Y轴施加作用力后产生
电荷的压电效应称为横向压电效应。
二、石英晶体的压电效应
从晶体上，沿y方向切下一块如图所示的晶体片
Qs
压电晶体
Cs
S CCe s
压电晶片
静电荷发生器 平行板电容器
压电传感器可等效为：
(1)一个电荷源Qs和一个电容器Cs的并联电路
Qs
Cs
Us
Qs Cs
(2)一个电压源Us和一个电容器Cs的串联电路
Cs
压电元件不适
Us
RL
合于静态测量。
二、测量电路
压电传感器的特点：高输出阻抗；低输出信号。
阻抗变换
－ A
+
Ci
传感器与测量电路连接应考虑: ●电缆电容Cc ; ●前置放大器的输入电容Ci和输入电阻Ri 。
Cs
Us
Rs
Ri Cc
－ A
+
Ci
R Rs Ri Rs Ri
C Cc Ci
Cs Us
－ A
+
R C
Cs Us
－ +A
R C
沿电轴方向施加作用力：
F Fm sin t
产生电荷：
Qs dsF
正负电荷中心始终重合，所以晶体表面无电荷产生。 沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。
二、石英晶体的压电效应
纵
向
力不同
压
电
效
应
x轴方向受力：压力

返回
z
Fz ++++
y
q d33Fz
- - - -Fz
x
（a）纵向变形
d33:压电陶瓷的压电系数； F z :作用力。
四、压电材料
压电材料具备主要特性：
①转换性能。要求具有较大的压电常数。
②机械性能。机械强度高、刚度大。具有较高的固
有振动频率。
指压电材料开
③电性能。高电阻率和大介电常数。
始丧失压电特 性的温度。
力
－ － － － － －－ ＋＋＋＋＋
电畴偏转，极化强度 变小，自由电荷释放
qd33F
d33 :压电陶瓷压电系数
F：作用力
这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为 电能的现象，就是正压电效应。
返回
－－－－－－
＋＋＋＋＋＋
电
Ｅ
极化
场
方向
方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
逆压电效应：由于电效应而转变为机械效应或者由 电能转变为机械能的现象。
F =0时
x
正、负离子在正x六边形F顶x 角
＋
P1、P2A、－ P3互－成－ 1＋ 20－º夹－角－
－
P1 －
正负电荷中－心重P1合 －
o y
电偶y 极矩的＋矢P量2 和o 等P3于＋ 零
＋ P2 P3 ＋
P1＋P2＋P3＝－ 0－此时晶B体＋表面＋不＋产＋生＋ 电荷＋，
即呈中性。
Fx
(a)
(b)
x
y y ++++++++
o
c
a
(a)X轴向受压力
fx