第5章压电传感器(2)

1、第五章第五章 压电式传感器压电式传感器 当外力作用于某些晶体时，发生当外力作用于某些晶体时，发生 压电效应，在晶体表面产生电荷，通过压电效应，在晶体表面产生电荷，通过 检测发电电荷量的大小测出作用力的大小。检测发电电荷量的大小测出作用力的大小。 特点：特点： 1、可制成力、压力、加速度等传感器。、可制成力、压力、加速度等传感器。 2、体积小、轻便、频带宽、灵敏度高。、体积小、轻便、频带宽、灵敏度高。第一节第一节 压电式传感器原理压电式传感器原理 某些晶体在一定方向上受到外力作用时，某些晶体在一定方向上受到外力作用时，内部产生极化现象，相应在晶体的两个表面上内部产生极化现象，相应在晶体的两个表面

2、上产生符号相反的电荷。当外力除去时，电荷消产生符号相反的电荷。当外力除去时，电荷消失；当外力反向时，电荷极性也反向。失；当外力反向时，电荷极性也反向。 一、一、压电效应压电效应 二、石英晶体的压电效应二、石英晶体的压电效应 石英：二氧化硅单晶，石英：二氧化硅单晶， 六角棱柱体，六角棱柱体， X、Y、Z三个晶轴。三个晶轴。x光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴坐标轴坐标轴晶体切块晶体切块1 1、X X向应力向应力-纵向压电效应纵向压电效应2 2、Y Y向应力向应力横向压电效应横向压电效应光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴晶体切块晶体切块压力压力拉力拉力xxqxyq压力压力拉力拉力关于压电效应的关于压电效应的解

3、释：解释：硅离子硅离子硅离子硅离子硅离子硅离子氧离子氧离子氧离子氧离子氧离子氧离子石英晶体石英晶体在在X-Y平面平面离子分布离子分布X方向受力方向受力Y方向受力方向受力Z Z方向受力方向受力将不产生压电效应！将不产生压电效应！三、三、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷：多晶铁电体，具有电畴（分子自发压电陶瓷：多晶铁电体，具有电畴（分子自发形成的电场区域）结构的压电材料。正常状态下对形成的电场区域）结构的压电材料。正常状态下对外不呈现电荷。外不呈现电荷。 在一定温度下，对压电陶瓷加强电场进行极化在一定温度下，对压电陶瓷加强电场进行极化处理，内部电畴的排列被人为地规则化，当强电场处理，

4、内部电畴的排列被人为地规则化，当强电场撤消后，压电陶瓷就具有了压电特性。撤消后，压电陶瓷就具有了压电特性。 多晶铁电体多晶铁电体在强电场中极化在强电场中极化电畴排列规则化电畴排列规则化取压电材料的极化方向为取压电材料的极化方向为Z轴轴Z受压受压xxqY受压受压XA极化面面积极化面面积yA受力面面积受力面面积第二节第二节 压电材料及压电元件压电材料及压电元件一、压电材料一、压电材料要求：要求：1）压电常数大；）压电常数大； 2）机械强度高；）机械强度高； 3）电阻率大，介电常数大；）电阻率大，介电常数大； 4）引起压电效应破坏的温度点（居里点）高；）引起压电效应破坏的温度点（居里点）高； 5）时

5、间稳定性好。）时间稳定性好。（一）石英晶体（一）石英晶体（二）水溶性压电晶体（二）水溶性压电晶体（三）铌酸锂晶体（三）铌酸锂晶体（四）压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐、铌镁铅酸）（四）压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐、铌镁铅酸）（五）压电半导体（五）压电半导体（六）高分子压电材料（六）高分子压电材料二、压电元件二、压电元件+ +- -+ + +- -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- - -+ +- -+ +- -+ +- -+ +- - 并联并联Q=nQ U=U Q=nQ U=U C=nCC=nC 串联串联Q=Q U=nUQ=Q U=nU C=C/n C=C/n第三

6、节第三节 压电传感器的测量电路压电传感器的测量电路一、压电式传感器的等效电路一、压电式传感器的等效电路 压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件压电式传感器可以等效为电荷源和压电元件电容器的并联电路；也可以等效为电压源和电容电容器的并联电路；也可以等效为电压源和电容器的串联电路。器的串联电路。其中电容器为：其中电容器为：hACa0压电元件极板面积压电元件极板面积 元件厚度元件厚度相对介电常数相对介电常数 当压电式传感器连接测量仪表时的等效电路：当压电式传感器连接测量仪表时的等效电路：传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻电缆电容电缆电容放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容电缆电容电缆电容传感器的泄露电阻传感器的泄露电阻放大器输入电阻电容放大器输入电阻电容二、压电式传感器的测量电路二、压电式传感器的测量电路iuiu化化简简（一）电压放大器（一）电压放大器（二）电荷放大器（二）电荷放大器iQfQiu0u+ + + + + +第四节第四节 压电式传感器的应用压电式传感器的应用（一）压电式力传感器（一）压电式力传感器底座底座插座插座盖板盖板晶片晶片绝缘套绝缘套（二）压电式压力传感器（二）压电式压力传感器晶片晶片膜片膜片引线引线壳