项目6 压电式传感器1

1、哈尔滨工程大学出版社哈尔滨工程大学出版社传感器与检测技术传感器与检测技术项目六项目六 压电式传感器压电式传感器项目二项目二压电压电式传感器式传感器【学习目标学习目标】熟悉压电材料的分类及特性；u掌握压电式传感器的工作原理、特点及压电元件的串并联关系u了解压电式传感器的等效电路、前置放大器的作用以及压电式传感器的应用。u能够结合实际进行压电式传感器的设计。项目二项目二压电压电式传感器式传感器 任务一任务一 压电式传感器压电式传感器 任务二任务二 压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理任务三任务三 压电式传感器的应用压电式传感器的应用任务一任务一 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器压电式

2、传感器是一种典型的有源传感器，它以某些电介质的压是一种典型的有源传感器，它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，材料受力变形时，其表面会有电效应为基础，在外力作用下，材料受力变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量检测的目的。电荷产生，从而实现非电量检测的目的。 压电传感元件压电传感元件是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，是一种力敏感元件，凡是能够变换为力的物理量，如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，但不能用于如应力、压力、振动、加速度等，均可进行测量，但不能用于静态力测量。由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声静态力测量。由于压电效应的可逆性，压电元件又常用作超声

3、波的发射与接收装置。波的发射与接收装置。 压电传感器具有压电传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度及测量体积小、重量轻、工作频带宽、灵敏度及测量精度高等特点，又由于没有运动部件，因此结构坚固、可靠性精度高等特点，又由于没有运动部件，因此结构坚固、可靠性和稳定性高。在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、和稳定性高。在各种动态力、机械冲击与振动测量，以及声学、医学、力学、宇航等领域得到越来越广泛的应用。医学、力学、宇航等领域得到越来越广泛的应用。 某些晶体受一定方向外力作用而发生某些晶体受一定方向外力作用而发生机机械变形时械变形时，相应地在一定的晶体表面产，相应地在一定的晶体表面产生生

4、符号符号相反相反的电荷的电荷，外力去掉后，电荷，外力去掉后，电荷消失。力的方向改变时，电荷的符号也消失。力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称为压电效应。随之改变，这种现象称为压电效应。 压电材料还具有与此效应相反的效应，压电材料还具有与此效应相反的效应，即在电介质的极化方向施加交变电场，即在电介质的极化方向施加交变电场，它会产生机械变形。当去掉外加电场，它会产生机械变形。当去掉外加电场，电介质变形随之消失。这种现象称为压电介质变形随之消失。这种现象称为压电逆向效应。电逆向效应。6.1.1 压电效应压电效应压电效应压电效应（正向压电效应）（正向压电效应）逆向压电效应逆向压电效应（电致

5、伸缩效应）（电致伸缩效应） Fu力的方向改变时，力的方向改变时，电荷的符号也随之电荷的符号也随之改变，外力去掉后，改变，外力去掉后，电荷消失。电荷消失。压电效应演示压电效应演示6.1.1 压电效应压电效应6.1.2 压电材料压电材料 压电材料或元件的分类压电材料或元件的分类单晶压电晶体单晶压电晶体( (如如石英晶体石英晶体)-)-天然存在天然存在。极化的多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸钡等极化的多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸钡等人工制造人工制造。高分子压电材料高分子压电材料近年来发展的新型材料近年来发展的新型材料。 压电材料压电材料 天然形成的石英晶体外形石英晶体石英晶体6.1.2 压电材料压电

6、材料 6.1.2 压电材料压电材料 石英晶体切片及封装双面镀银及封装6.1.2 压电材料压电材料石英晶体石英晶体u Z Z轴轴-光轴光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；，它与晶体的纵轴线方向一致；u X X轴轴-电轴电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；u y y轴轴-机械轴机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。，它垂直于两个相对的晶柱棱面。石英晶体结构石英晶体结构6.1.2 压电材料压电材料石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应 硅氧离子在Z平面上投影等效为正六边形排列的投影石英晶体石英晶体Si+4O2-2Si+4O2-2结构结构6.1.2 压电材料

7、的分类压电材料的分类 图图2-22 2-22 石英晶体的结构及压电效应石英晶体的结构及压电效应石英晶体压电效应产生的过程石英晶体压电效应产生的过程6.1.2 压电材料压电材料 u 当沿着当沿着X X轴对压电晶片施加力时轴对压电晶片施加力时，将在垂直于，将在垂直于X X轴的表面上产生轴的表面上产生电荷，这种现象称为电荷，这种现象称为纵向压电纵向压电效应效应。u 沿着沿着y y轴施加力的作用时，电荷轴施加力的作用时，电荷仍出现在与仍出现在与X X轴垂直的表面上，轴垂直的表面上，这称之为这称之为横向压电效应横向压电效应。u 当沿着当沿着Z Z轴方向受力时不产生压轴方向受力时不产生压电效应。电效应。石

8、英晶体的纵、横向压电效应石英晶体的纵、横向压电效应6.1.2 压电材料压电材料X YX XYaQdFb 122.3 10XXCdNQ Qxxxxd dxxxxF FX XQXy 为垂直于为垂直于X轴平面上的电荷轴平面上的电荷dxx 为纵向压电系数为纵向压电系数FX 为沿晶轴为沿晶轴X方向施加的压力。方向施加的压力。横向压电效应产生的荷量横向压电效应产生的荷量XYXYYaQdFbQXY为在垂直于为在垂直于X轴平面上的电荷轴平面上的电荷 ,dXY为在垂直于为在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数（横向压电系数轴平面上产生电荷时的压电系数（横向压电系数 ）FY为沿晶轴为沿晶轴Y方向施加的压力。方向施

9、加的压力。 机电工程系自动化教研室机电工程系自动化教研室纵向压电效应产生的电荷纵向压电效应产生的电荷6.1.2 压电材料压电材料X=1, Y=2, Z=3 压电陶瓷特性压电陶瓷特性 ：压电陶瓷是人工制造的一种多晶压电体，它有无数的压电陶瓷是人工制造的一种多晶压电体，它有无数的单晶组成，各单晶的自发极化方向是任意排列的，虽然每个单晶具有强单晶组成，各单晶的自发极化方向是任意排列的，虽然每个单晶具有强的压电性质，但组成多晶后，各单晶的压电效应却互相抵消了，所以，的压电性质，但组成多晶后，各单晶的压电效应却互相抵消了，所以，原始的压电陶瓷是一个非压电体，不具有压电效应。原始的压电陶瓷是一个非压电体，

10、不具有压电效应。u 极化处理：极化处理：就是在一定的温度条件下，对压电陶瓷就是在一定的温度条件下，对压电陶瓷施加强电场施加强电场，使极性，使极性轴转动到接近电场方向，规则排列，这个方向就是压电陶瓷的极化方向轴转动到接近电场方向，规则排列，这个方向就是压电陶瓷的极化方向，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，留下了很强的剩，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，留下了很强的剩余极化强度。余极化强度。压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应6.1.2 压电材料压电材料u 当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于在垂直于Z Z轴的表面上将会出现电荷轴的表面

11、上将会出现电荷，电荷量与作用力成正比，即，电荷量与作用力成正比，即u 当沿当沿X X轴方向施加作用力时，产生的轴方向施加作用力时，产生的电荷大小为电荷大小为 u 当沿当沿Y Y轴方向施加作用力时，在垂直轴方向施加作用力时，在垂直于于Z Z轴的表面上产生的电荷量为轴的表面上产生的电荷量为 ZZzzZQd F ZZXZXXXAQd FAZZYZYYYAQd FA6.1.2 压电材料压电材料X=1, Y=2, Z=3 6.1.2 压电材料压电材料 u 高分子的压电材料是一种新型的材料，有高分子的压电材料是一种新型的材料，有聚偏二氟乙烯（聚偏二氟乙烯（PVF2PVF2）、聚偏氟乙烯（、聚偏氟乙烯（PV

12、DFPVDF）、聚氟乙烯（、聚氟乙烯（PVFPVF）、改性聚氟乙烯（）、改性聚氟乙烯（PVCPVC）等，其中以等，其中以PVF2PVF2和和PVDFPVDF的的压电常数压电常数最高。最高。u 有的材料比压电陶瓷还要高几十倍，其输出脉冲电压有的可以直有的材料比压电陶瓷还要高几十倍，其输出脉冲电压有的可以直接驱动接驱动CMOSCMOS集成门电路。集成门电路。u 高分子压电材料的最大特点是具有柔软性，可根据需要制成薄膜高分子压电材料的最大特点是具有柔软性，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状，经极化处理后就现出压电特性。它不易破碎或电缆套管等形状，经极化处理后就现出压电特性。它不易破碎，具有防水性，动态范围宽，频响范围大，但工作温度不高，（，具有防水性，动态范围宽，频响范围大，但工作温度不高，（一般低于一般低于 100100，且随温度升高，灵敏度降低），机械强度也不，且随温度升高，灵敏度降低），机械强度也不高，容易老化，因此常用于对测量精度要求不高的场合，例如水高，容易老化，因此常用于对测量精度要求不高的场合，例如水声测量、防盗、震动测量等方面。声测量、防盗、震动测量等方