第7章-压电式传感器

1、物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用第第7章章 压电式压电式传感器传感器点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 压电式传感器是以具有压电效应的压电元件为核心压电式传感器是以具有压电效应的压电元件为核心组成的传感器。压电元件是力敏感元件，压电式传感器组成的传感器。压电元件是力敏感元件，压电式传感器也也是典型的有源传感器。是典型的有源传感器。点击此处结束放映点击此处结束放映 压电效应压电效应7.1压电材料的主要特性压电材料的主要特性7.2压电式传感器的等效电路和测量电路压电式传感器的等效电路和测量电路7.3压电式传感器应用实例压电式传感器应用实例7.4

2、物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映 压电效应压电效应7.1物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.1.1 压电效应的现象压电效应的现象 1.压电效应压电效应 当沿着一定方向对压电材料施力使它变形时，压电材料的当沿着一定方向对压电材料施力使它变形时，压电材料的两个表面上产生束缚电荷；当去掉外力，压电材料又恢复到原来两个表面上产生束缚电荷；当去掉外力，压电材料又恢复到原来不带电的状态。这种现象称为压电效应不带电的状态。这种现象称为压电效应。点击此处结束放映点击此处结束放映物

3、联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用压电材料表面电荷的极性与受力的方向有关。当外力的方压电材料表面电荷的极性与受力的方向有关。当外力的方向改变时，电荷的正负极性也随之发生变化，如图向改变时，电荷的正负极性也随之发生变化，如图7.1所示。所示。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2.电致伸缩效应电致伸缩效应 当在压电材料的极化方向上施加电场时，它就会产生机械变当在压电材料的极化方向上施加电场时，它就会产生机械变形；当去掉电场时，压电材料的变形随之消失。这种现象称为电形；当去掉电场时，压电材料的变形随之消失。这种现象称为电致伸缩效应。致伸缩效应。点击此

4、处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.1.2 压电效应的工作原理压电效应的工作原理 1.石英晶体石英晶体 石英晶体是二氧化硅单晶，它是一个规则的六角棱柱。石英晶体是二氧化硅单晶，它是一个规则的六角棱柱。沿光轴（沿光轴（z轴）方向无压电效应轴）方向无压电效应。沿电轴（沿电轴（x轴）压电效应最强，轴）压电效应最强，称为称为“纵向压电效应纵向压电效应”。沿机械轴（。沿机械轴（y轴）方向轴）方向有有“横向压电横向压电效应效应”。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传

5、感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映天然形成的石英晶体外形物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 压电材料的压电特性常用压电方程描述压电材料的压电特性常用压电方程描述。对于石英晶体，对于石英晶体，压电方程为压电方程为点击此处结束放映点击此处结束放映654321111414111132100000020000000dddddqqq物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 当石英晶体受到当石英晶体受到x方向的外力时，晶面上产生的电荷为方向的外力时，晶面上产生的电荷为这就是这就是“纵向压电效应纵向压电

6、效应”。 此外，此外，石英晶体石英晶体还有还有“横向压电效应横向压电效应”，剪切压电效应。，剪切压电效应。点击此处结束放映点击此处结束放映1111dq 物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2.压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷在没有极化之前不具有压电效应，是非压电体；压电陶瓷经过极化处理后，有非常大的压电常数，一般为石英晶压电陶瓷经过极化处理后，有非常大的压电常数，一般为石英晶体的几百倍。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力，原体的几百倍。如果在陶瓷片上加一个与极

7、化方向平行的压力，原来吸附在陶瓷片电极上的自由电荷出现放电现象。来吸附在陶瓷片电极上的自由电荷出现放电现象。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用压电陶瓷内的束缚电荷和电极上吸附的自由电荷如图压电陶瓷内的束缚电荷和电极上吸附的自由电荷如图7.5 所示。所示。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 压电材料的主要特性压电材料的主要特性7.2点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用压电材料一般应从以下特性进行选择。压电材料一般应从以下特性进行选择。（1）机）机-电转换性能。电转换性能。（

8、2）电性能。）电性能。（3）机械性能。）机械性能。（4）温度稳定性。）温度稳定性。（5）时间稳定性。）时间稳定性。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.2.1 压电晶体压电晶体 1.石英晶体（石英晶体（SiO2） 石英晶体是最典型的压电晶体。石英晶体非常稳定石英晶体是最典型的压电晶体。石英晶体非常稳定。石英晶石英晶体居里点高体居里点高。石英晶体机械强度和品质因数高石英晶体机械强度和品质因数高。石英晶体绝缘性石英晶体绝缘性能也相当好。石英晶体压电常数较小，灵敏度较低能也相当好。石英晶体压电常数较小，灵敏度较低。2. 其它压电晶体其它压电晶体点击此处结束放

9、映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.2.2 压电陶瓷压电陶瓷1. 钛酸钡（钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷）压电陶瓷2. 锆钛酸铅系压电陶瓷（锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.2.3 新型压电材料新型压电材料 1.压电半导体压电半导体 硫化锌（硫化锌（ZnS）、碲化镉（）、碲化镉（CdTe）等。这些材料既有半导体）等。这些材料既有半导体特性，又有压电特性特性，又有压电特性。2.有机高分子压电材料有机高分子压电材料 某些高分子聚合物某些高分子聚合物及及高分子化合物，既保持了高分子材料的高分子化合

10、物，既保持了高分子材料的柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。柔软性，又具有较高的压电性和机电耦合系数。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用压电式传感器的等效电路和测量电路压电式传感器的等效电路和测量电路7.3点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.3.1压电元件的结构形式压电元件的结构形式 1.压电元件的结构形式压电元件的结构形式压电元件如图压电元件如图7.6所示，一般由压电材料和电极（如银电所示，一般由压电材料和电极（如银电极）构成。极）构成。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感

11、器技术与应用在压电式传感器中，压电元件一般不用单片，为了提高灵在压电式传感器中，压电元件一般不用单片，为了提高灵敏度，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性敏度，常用两片或多片组合在一起使用。由于压电材料是有极性的，因此接法有并联和串联两种。的，因此接法有并联和串联两种。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.3.2压电式传感器的等效电路压电式传感器的等效电路 可以把它等效成一个与电容相并联的电荷源，可以把它等效可以把它等效成一个与电容相并联的电荷源，可以把它等效成一

12、个与电容串联的电压源。成一个与电容串联的电压源。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.3.3压电式传感器的压电式传感器的测量电路测量电路 1. 电压放大器电压放大器 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用2. 电荷电荷放大器放大器 电荷放大器是压电式传感器的另一种前置放大器，能将高内电荷放大器是压电式传感器的另一种前置放大器，能将高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源，并同时保持输出电压与输入阻的电荷源转换成低内阻的电压源，并同时保持输出电压

13、与输入电荷成正比。用电荷放大器的一个突出优点是：在一定的条件下，电荷成正比。用电荷放大器的一个突出优点是：在一定的条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。传感器的灵敏度与电缆长度无关。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用压电式传感器应用实例压电式传感器应用实例7.4点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.4.1压电式传感器的形式和特点压电式传感器的形式和特点 压电元件是一种典型的力敏元件，特别适合对冲击、振动压电元件是一种典型的力敏元件，特别适合对冲击、振动等的测量等的测量。压电元件的结构形式很多，有圆形、长方形、环

14、形和压电元件的结构形式很多，有圆形、长方形、环形和柱形等。柱形等。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.4.2压电式加速度传感器压电式加速度传感器 迄今在众多的测振传感器中，压电加速度传感器占迄今在众多的测振传感器中，压电加速度传感器占80%以上。以上。测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起，传感器与试件感测量时，将传感器基座与试件刚性固定在一起，传感器与试件感受到相同的振动。受到相同的振动。点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用7.4.3压电式测力传感器压电式测力传感器 压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传电转换的传感器。感器。 点击此处结束放映点击此处结束放映物联网传感器技术与应用物联网传感器技术与应用