第 8 章 压电式传感器PPT课件
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压电传感器的工作原理优秀课件
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz
噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动
焊接式 电荷放大器
24.10.2020
21
超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
24.10.2020
4
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般有 三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶 瓷；第三类是高分子压电材料。
24.10.2020
5
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
24.10.2020
6
天然形成的石英晶体外形（续）
24.10.2020
10
压电陶瓷外形
24.10.2020
11
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
24.10.2020
12
高分子压电薄膜及拉制
24.10.2020
13
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料， 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易 破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较 大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
压电式传感器_图文
④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得 到宽的工作温度范围；
⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
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6.5 测量电路
6.4.1电压放大器
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。 其中
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6.3 压电材料
选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应 考虑以下几个方面：
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，以期望 减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；
相对轴向灵敏度的百分比表
示。
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6.2 影响压电式传感器主要因数
定义（用轴向灵敏度的百分比表示）： 最大横向灵敏度
Km=(Ky/Kz)100% =tg×100%;
一般横向灵敏度
Kt=(Kt/Kz)100% =tg×cos×100%;
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6.2 影响压电式传感器主要因数
产生横向灵敏度的必要条件 （1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力； （2）压电元件本身具有横向压电效应。 消除横向灵敏度的技术途径 （1）从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的
一致； （2）尽量Βιβλιοθήκη 取剪切型的力-电转换方式。一只较好
的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。
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《压电式传感器》课件
汽车领域
压电式传感器在汽车中用于测量和 控制关键系统的压力，如制动系统、 供油系统和排放系统，提高车辆的 性能和安全性。
与其他传感器的比较
1 压力传感器 vs. 光传感器
压力传感器可以检测和测量物体的压力，而光传感器可以用于检测光线的强度和频率。
2 压力传感器 vs. 温度传感器
压力传感器可以测量物体的压力变化，而温度传感器可以测量环境的温度变化。
续的信号处理和分析。
3
输出信号
经过处理和转换，压电式传感器将输出电压 信号转化为可读取的压力数值或其他形式的 信号。
应用领域
工业领域
压电式传感器在工业生产过程中用 于检测和测量压力、压力变化，广 泛应用于制造业、自动化系统和控 制系统。
医疗领域
压电式传感器在医学设备中用于监 测生命体征、药物输送系统、手术 器械等，确保医疗过程的安全和有 效性。
压电式传感器
欢迎来到《压电式传感器》的PPT课件！本课程将深入探讨压电式传感器的定 义、原理、种类、工作原理、应用领域、与其他传感器的比较，以及未来发 展方向。
定义
什么是压电式传感器？
压电式传感器是一种根据压电 效应原理制作的传感器，能够 将压力转化为电信号，实现压 力的检测和测量。
压电效应的原理
压电效应是指某些晶体材料在 受到压力或振动作用下，会产 生电荷分离和极化现象，从而 产生电压。
压电材料的种类
常用的压电材料包括石英、陶 瓷、聚合物等，每种压电材料 都具有不同的特性和应用领域。
工作ห้องสมุดไป่ตู้理
1
压电效应
当压电材料受到压力时，产生电荷分离和极
信号放大
2
化，从而产生电压信号。
传感器将微弱的电压信号放大，以便进行后
压电式传感器传感器技术及应用课件
在航空航天中的应用案例
压电式传感器在航空航天领域中可以 用于测量飞行器的压力、振动等参数， 保障飞行器的安全性和稳定性。
VS
例如，在飞机发动机中，压电式传感 器可以监测涡轮的工作状态，控制发 动机的运转，提高飞机的安全性能。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
它们能够提供连续、准确的生理数据， 帮助医生及时了解患者的病情和做出 准确的诊断。
航空航天
01
在航空航天领域，压电式传感器 主要用于监测飞机的气动性能、 发动机工作状态以及航天器的空 间环境等。
02
它们能够提供高精度、高可靠性 的数据，帮助保证飞机的安全和 航天器的正常工作。
03 压电式传感器的设计与制 造
02 压电式传感器的应用领域
工业自动化
压电式传感器在工业自动化领域中广泛应用于测量和控制，如压力、位移、振动和 加速度等物理量的测量。
它们能够提供高精度、高可靠性的数据，帮助实现自动化生产线的精确控制和优化。
压电式传感器还可以用于工业安全系统中，例如检测机器的异常振动或压力变化， 以预防潜在的故障或事故。
制作工艺
采用陶瓷工艺、薄膜工艺等制作技术 ，将压电材料制成具有特定结构和性 能的元件。
压电式传感器的封装与测试
封装材料
选择合适的封装材料，如环氧树脂、陶瓷等，以保护压电元件免受环境的影响。
测试方法
对封装后的传感器进行性能测试，包括灵敏度、频率响应、温度稳定性等方面 的测试。
04 压电式传感器的校准与标 定
压电式传感器传感器技术及应用课 件
目录
• 压电式传感器技术概述 • 压电式传感器的应用领域 • 压电式传感器的设计与制造 • 压电式传感器的校准与标定 • 压电式传感器的发展趋势与展望 • 实际应用案例分析
压电式传感器及应用解读
将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极 后，就构成了压电元件。当压电元件受力时，就 会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当 于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质， 因此它又相当于一个以压电材料为介质的电容器， 其电容值为 Ca = εRε0A/δ
23
压电元件的等效电路
压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也 可以等效为一个与电容相串联的电压源，
47
休息一下！！
48
30
8.3压电式传感器的应用 8.3.1 压电传感器的基本结构
在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电 晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元 件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出 量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大， 本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号， 并以电荷量作为输出的场合。
24
压电元件实际的等效电 路图
压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有 在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生， 可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动 态测量。
25
8.2.2 压电式传感器测 量电路
压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的 前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、 记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误 差减少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是 把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把 传感器的微弱信号进行放大。
45
本章小结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时， 内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产 生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢 复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的 极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外 力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。相 反，当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质 也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应” （电致伸缩效应）。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效 应十分微弱。应用于压电式传感器中的压电元件 材料一般有三类：石英晶体、经过极化处理的压 电陶瓷、高分子压电材料。
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压电元件的等效电路
压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也 可以等效为一个与电容相串联的电压源，
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休息一下！！
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8.3压电式传感器的应用 8.3.1 压电传感器的基本结构
在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电 晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元 件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出 量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大， 本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号， 并以电荷量作为输出的场合。
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压电元件实际的等效电 路图
压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有 在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生， 可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动 态测量。
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8.2.2 压电式传感器测 量电路
压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的 前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、 记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误 差减少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是 把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把 传感器的微弱信号进行放大。
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本章小结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时， 内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产 生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢 复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的 极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外 力的大小成正比，这种现象被称为压电效应。相 反，当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质 也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应” （电致伸缩效应）。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效 应十分微弱。应用于压电式传感器中的压电元件 材料一般有三类：石英晶体、经过极化处理的压 电陶瓷、高分子压电材料。
压电式传感器ppt课件
压电效应最为显著；
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（X轴）方向的力作用下产生电荷；
“横向压电效应”：
沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷；
在光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点：
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电 极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d33 F (5.3.3)
Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数； F——作用力
对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，
适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外 界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微 量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（X轴）方向的力作用下产生电荷；
“横向压电效应”：
沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷；
在光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点：
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、 负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电 极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d33 F (5.3.3)
Q——电荷量；d33——压电陶瓷的压电系数； F——作用力
对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，
适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外 界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微 量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
压电式传感器介绍课件
压电陶瓷：具有高灵敏度、 高稳定性和长寿命的特点
A
压电复合材料：结合多种材料 的优点，提高传感器的性能
C
B
压电薄膜：具有轻量化、柔 性化Fra bibliotek可弯曲的特点D
压电纳米材料：具有高灵敏度、 低功耗和快速响应的特点
集成化、微型化
01
集成化：将多个传 感器集成到一个芯 片上，实现多功能、
高精度的测量
02
微型化：减小传感 器的体积和重量， 提高便携性和可穿
压电材料：具有压电效应的材料，如石英、锆 钛酸铅等 传感器结构：由压电材料和电极组成，当受到 压力时，压电材料产生电荷，通过电极输出
信号处理：将输出的电荷信号进行放大、滤 波等处理，得到所需的测量信号
2
压电式传感器分 类
压电陶瓷传感器
工作原理：利用压电效应，将机械 能转化为电能
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、 响应速度快
微型化：压电式传感器将向微型化方向发展，体积更小， 重量更轻，便于携带和安装。
集成化：压电式传感器将实现多种功能集成，如压力、温 度、加速度等，提高测量精度和效率。
谢谢
和补偿
应用领域：汽车 安全气囊、地震
2 监测、航空航天
等领域
3
优点：高灵敏度、 宽频率响应、低 功耗、体积小
流量测量
压电式传感 器可用于测 量液体和气
体的流量
通过检测压 力变化来测
量流量
适用于各种 管道和设备， 如泵、阀门、
管道等
具有高精度、 高可靠性和 长寿命的特
点
4
压电式传感器发 展趋势
新型压电材料
应用领域：广泛应用于压力、加速 度、流量、位移等物理量的测量
《压电传感器》课件
接线与调试
按照说明书的接线图进行 正确接线，并进行必要的 调试和校准，以确保传感 器正常工作。
压电传感器的日常维护
定期检查
定期检查传感器的外观、 连接线和固定情况，确保 传感器无损坏、无松动。
清洁与除尘
定期清洁传感器表面，保 持清洁，避免灰尘和污垢 影响测量精度。
防潮防震
在潮湿和震动环境中使用 时，采取相应的防潮和防 震措施，以保护传感器不 受损坏。
《压电传感器》PPT课件
目 录
• 压电传感器简介 • 压电传感器的类型与结构 • 压电传感器的特性分析 • 压电传感器的使用与维护 • 压电传感器的发展趋势与展望
01
压电传感器简介
压电传感器的工作原理
01
压电传感器是一种利用压电效应 原理制成的传感器。当受到外力 作用时，压电材料会产生电荷， 从而实现对压力的测量。
压电元件
是压电传感器的主要部 分，负责将压力信号转
换为电信号。
信号处理电路
对压电元件输出的电信 号进行处理，包括放大
、滤波、补偿等。
输出接口
将处理后的信号输出到 外部设备，如计算机、
显示器等。
保护壳体
保护传感器免受外界环 境的影响，如温度、湿
度、尘埃等。
压电传感器的材料
压电晶体
如石英、钛酸钡等，具有较高的压电常数和灵敏度。
用于血压、心电等生理参数的 测量，为医疗诊断提供准确数 据。
环境监测
用于气象、地震、水文等领域 的气压、风速、流量等参数的 测量，为环境保护和灾害预警
提供支持。
压电传感器的优缺点
优点
高灵敏度、高精度、低迟滞、抗干扰能力强、稳定性好等。
缺点
易受温度、湿度等环境因素影响，需要定期校准和维护，成 本较高。
《压电声传感器》课件
结构设计
敏感元件设计
设计合适的敏感元件结构，以提高声压的灵敏度和响应速度 。
信号处理电路
设计合适的信号处理电路，以实现传感器信号的放大、滤波 和调理。
制造工艺
制造流程
制定详细的制造流程，包括材料制备、元件成型、组装和测试等环节。
工艺控制
严格控制制造工艺参数，确保传感器性能的一致性和稳定性。
04
压电复合材料型
总结词
详细描述
总结词
详细描述
利用压电复合材料的压电效应 ，将声音信号转换为电信号。
压电复合材料型传感器由多种 材料复合而成，具有优异的机 械性能和电气性能，能够承受 较大的动态应力和温度变化。 这种类型的传感器在复杂环境 中表现优异。
优异的机械性能、电气性能、 承受较大动态应力和温度变化 。
新技术
新兴技术如纳米技术、微加工技术在压电声传感器制造中的应用，能够实现更小尺寸和更高精度的传感器。
提高灵敏度与响应速度
灵敏度
通过优化结构设计、改进材料性能等方式提高压电声传感器的灵敏度，使其能够更准确地检测声音信 号。
响应速度
研究快速响应的压电声传感器，使其能够实时处理和传输声音
在声学研究中，压电声传感器可以用于测量声场分布、声 音传播规律和声学现象等，有助于深入了解声学的原理和 应用。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
压电陶瓷型传感器由压电陶瓷材料制成， 具有较高的灵敏度和响应速度，常用于高 频率声音的测量。
总结词
具有高灵敏度、高响应速度的特点。
详细描述
压电陶瓷型传感器能够快速地响应声音变 化，并将其转换为电信号，因此常用于需 要高精度和高速度测量声音的场合。
压电式传感器应用 PPT课件
压电式传感器的应用实例
成员：郑逸凯 11192133 崔露凯 11192107 唐文杰 11192118
压电式传感器？
• 压电效应：某些电介质（晶体，极化的陶瓷，高分子聚合物和负
合材料等），当在它的适当方向施加作用力时，内部会产生电极化状 态的变化，同时在电介质的两端表面出现符号相反、与外力成正比的 束缚电荷。这种由外力作用而导致电介质带电的现象即为压电效应。
• 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发 射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电 超声换能器。
压电式流量计
• 压电超声换能器 每隔一段时间(如 1/100s)发射和接 收互换一次。在 顺流和逆流的情 况下，发射和接 收的相位差与流 速成正比。
压电式传感器在测漏中的应用
• 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏 引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放 两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的 t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。
两者时间差为
• Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v
LA 2
LB
L t v
2
压电声传感器在超声速测量实验中的应用
• 超声速测量实验装置Fra bibliotek当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电 陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振 动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1 是声频信号发生器。
加速度式心音传感器：将声信号转换为电信号
压电式声 传感器
• 当交变信号加在压电陶 瓷片两端面时，由于压 电陶瓷的逆压电效应， 陶瓷片会在电极方向产 生周期性的伸长和缩短 。
第8章压电式传感器课件
电压源
只有在外电路负载无穷大，且内部无漏电时，受力产生的电压U才能长
期保持不变；如果负载不是无穷大，则电路就要以时间常数RLCa按指数规 律放电。
v 电荷等效电路：电荷源与一个电容Ca并联构
会产生电荷。
8.1.2 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人造多晶系压电材料。 常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PbTiO3－PbZrO3）（ PZT）、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡压电 系数 d33＝190×10-12 C／N，但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品 种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器。
l 压电晶体（单晶）：包括压电石英晶体和其它压电单晶； l 压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶 体；
8.1.1 石英晶体的压电效应
① 石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，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℃、晶体结构为六角晶系的α－
石英。
石英晶体的外形
压电传感器的灵敏度在出厂时已作了标定，但随着使用时间的增加会有 些变化，主要原因是性能发生了变化。实验表明压电陶瓷的压电常数随着 使用时间的增加而减小。因此为了保证测量精度，最好每隔半年进行一次 灵敏度校正。石英晶体的长期稳定性很好。灵敏度不变，无需校正。
8.3.2. 压电式传感器的等效电路
当压电晶体片受力时，在晶体片的两表面上聚集等量的正、负电荷，晶 体片的两表面相当于一个电容的两个极板，两极板间的物质等效于一种介 质，因此压电片相当于一只平行板介质电容器。其电容量为
Ca hSrh0S
S——极板面积（压电片面积）； h ——压电片厚度；
r——压电材料的相对介电常数； 0 ——真空介电常数，0 ＝8.85×1012 F/m 。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（c） 石英晶体受到沿y轴方向的压力作用时， 在x轴的正向出 现正电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。
（d）石英晶体沿z轴方向施加作用力时，晶体不会产生压电效 应。
（e）当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。
31.10.2020
14
石英晶体的压电效应演示
第8章 压电传感器
• 式中，d11为x方向受力的压电系数。
• 横向压电效应:若在同一切片上，沿机械轴方向施加作用力F2 时，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷，其大小为
a q1 d12 b F2
• 式中，d12为y方向受力的压电系数，其中d12=-d11。
31.10.2020
11
注：电偶极矩P=ql
第8章 压电传感器
第8章 压电传感器
q3 d33F3
式中， d33—— 压电陶瓷的压电系数； F—作用力。
优点：压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以 采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。
31.10.2020
21
压电陶瓷材料：
第8章 压电传感器
钛酸钡（BaTiO3），它的压电系数约为石英的50倍，但居 里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和 机械强度都不如石英。 锆钛酸铅（PZT）系列，居里点在300℃以上，性能稳定， 有较高的介电常数和压电系数。
• 压电陶瓷：是人工制造的多晶体压电材料，压电系数高。
• 人工极化：材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在 无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的 极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此 原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。
• 在强直流极化电场作用下，电畴的极化方向依外电场方 向充分排列。在撤消极化电场后，压电陶瓷内部仍存有 很强的剩余极化强度，这时的材料才具有压电特性。
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一、石英晶体
第8章 压电传感器
• 石英晶体：化学式为SiO2，是单晶体结构，正六面体。
• 石英晶体的各向异性：纵向轴z称为光轴，经过六面体棱 线并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴同时垂直的y轴
称为机械轴。
• 纵向压电效应：把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为“纵向压电效应”；
• 横向压电效应：把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的
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第8章 压电传感器
电场 方向
(a)
(b)
(a)未极化
(b) 电极化
(b) 压电陶瓷的极化
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压电陶瓷外形
第8章 压电传感器
31.10.2020
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第8章 压电传感器
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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压电陶瓷的正压电效应：
xபைடு நூலகம்
＋
－
P1 －
o
y
＋ P2 P3 ＋
－
(a)
x
Fx
A － －－ －－ －
＋
－ P1
－
y
o
＋ P2 P3 ＋
－
B ＋ ＋＋ ＋＋ ＋
Fx
(b)
x
A ＋＋＋＋
Fy
＋
Fy
y
－ P1 －
C
P2 ＋o
P3 ＋
D
－ B －－－－
(c)
(a) 不受力时 (b) x轴方向受力 (c) y轴方向受力 (b)石英晶体压电模型
机械量
压电元 件
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压电效应可逆性
电量
3
第8章 压电传感器
• 压电材料： • 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能
实现机—电能量的相互转换。 • 压电材料分类： • 压电晶体、压电陶瓷和有机高分子压电材料。
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4
第8章 压电传感器 常用压电材料性能参数
31.10.2020
• 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；
• 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。人们把 这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
• 逆压电效应:当在电介质极化方向施加电场，这些电介
质也会产生几何变形。人们把这种电能转换为机械能的
现象，称为“逆压电效应”。
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2
第8章 压电传感器
• 优点：有机高分子压电材料的独特优点是质轻柔 软、抗拉强度高，便于批量生产和大面积使用， 可制作大面积阵列传感器。
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12
切向效应
第8章 压电传感器
31.10.2020
13
石英晶体压电效应原理:
第8章 压电传感器
（a）石英晶体未受外力作用时，P1+P2+P3=0，所以晶体表面不
产生电荷，即呈中性。
（b）石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，在x轴的正方向
出现负电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。
铌镁酸铅：20世纪60年代发展起来的压电陶瓷， 具有极高的压电系数和较高的工作温度， 而且能 承受较高的压力。
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三、有机高分子压电材料
第8章 压电传感器
1、某些合成高分子聚合物经延展拉伸和电极化处理 而成，如聚偏二氟乙烯(PVDF)；
2、高分子化合物中参杂PZT和BaTiO3粉末制成薄膜。
8
第8章 压电传感器
天然形成的石英晶体外形
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石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
第8章 压电传感器
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双面镀银并封装
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第8章 压电传感器
• 纵向压电效应: 若从晶体上沿y方向切下一块晶片，沿电轴
方向施加作用力F1时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，
其大小为
q1 d11F1
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压电石英特性：
第8章 压电传感器
优点：性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能非 常好，绝缘阻抗一般大于1012 。
缺点：石英晶体的压电系数比压电陶瓷小的多， 且价格较贵，所以压电石英一般用于制作标准仪 器或要求较高的传感器。
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二、压电陶瓷
第8章 压电传感器
第8章 压电传感器
第8章 压 电 式 传 感 器
8.1 压电效应及压电材料 8.2 压电式传感器测量电路 8.3 压电式传感器的应用
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第8章 压电传感器
8.1 压电效应及压电材料
• 正压电效应(压电效应)：某些电介质，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 它的两个表面上便产生符号相反的电荷；
压电效应称为“横向压电效应”。
而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
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石英晶体
第8章 压电传感器
z
o
x
y
x
(a)
(a) 晶体外形 (b)
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z
o
y
(b)
(b) 切割方向
z
b o
x
cy
a
(c)
(c) 晶片
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第8章 压电传感器
天然形成的石英晶体外形
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（d）石英晶体沿z轴方向施加作用力时，晶体不会产生压电效 应。
（e）当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。
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石英晶体的压电效应演示
第8章 压电传感器
• 式中，d11为x方向受力的压电系数。
• 横向压电效应:若在同一切片上，沿机械轴方向施加作用力F2 时，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷，其大小为
a q1 d12 b F2
• 式中，d12为y方向受力的压电系数，其中d12=-d11。
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注：电偶极矩P=ql
第8章 压电传感器
第8章 压电传感器
q3 d33F3
式中， d33—— 压电陶瓷的压电系数； F—作用力。
优点：压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以 采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。
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压电陶瓷材料：
第8章 压电传感器
钛酸钡（BaTiO3），它的压电系数约为石英的50倍，但居 里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和 机械强度都不如石英。 锆钛酸铅（PZT）系列，居里点在300℃以上，性能稳定， 有较高的介电常数和压电系数。
• 压电陶瓷：是人工制造的多晶体压电材料，压电系数高。
• 人工极化：材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，在 无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的 极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此 原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。
• 在强直流极化电场作用下，电畴的极化方向依外电场方 向充分排列。在撤消极化电场后，压电陶瓷内部仍存有 很强的剩余极化强度，这时的材料才具有压电特性。
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一、石英晶体
第8章 压电传感器
• 石英晶体：化学式为SiO2，是单晶体结构，正六面体。
• 石英晶体的各向异性：纵向轴z称为光轴，经过六面体棱 线并垂直于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴同时垂直的y轴
称为机械轴。
• 纵向压电效应：把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压 电效应称为“纵向压电效应”；
• 横向压电效应：把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的
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第8章 压电传感器
电场 方向
(a)
(b)
(a)未极化
(b) 电极化
(b) 压电陶瓷的极化
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压电陶瓷外形
第8章 压电传感器
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第8章 压电传感器
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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压电陶瓷的正压电效应：
xபைடு நூலகம்
＋
－
P1 －
o
y
＋ P2 P3 ＋
－
(a)
x
Fx
A － －－ －－ －
＋
－ P1
－
y
o
＋ P2 P3 ＋
－
B ＋ ＋＋ ＋＋ ＋
Fx
(b)
x
A ＋＋＋＋
Fy
＋
Fy
y
－ P1 －
C
P2 ＋o
P3 ＋
D
－ B －－－－
(c)
(a) 不受力时 (b) x轴方向受力 (c) y轴方向受力 (b)石英晶体压电模型
机械量
压电元 件
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压电效应可逆性
电量
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第8章 压电传感器
• 压电材料： • 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能
实现机—电能量的相互转换。 • 压电材料分类： • 压电晶体、压电陶瓷和有机高分子压电材料。
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第8章 压电传感器 常用压电材料性能参数
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• 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；
• 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。人们把 这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。
• 逆压电效应:当在电介质极化方向施加电场，这些电介
质也会产生几何变形。人们把这种电能转换为机械能的
现象，称为“逆压电效应”。
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第8章 压电传感器
• 优点：有机高分子压电材料的独特优点是质轻柔 软、抗拉强度高，便于批量生产和大面积使用， 可制作大面积阵列传感器。
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切向效应
第8章 压电传感器
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石英晶体压电效应原理:
第8章 压电传感器
（a）石英晶体未受外力作用时，P1+P2+P3=0，所以晶体表面不
产生电荷，即呈中性。
（b）石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，在x轴的正方向
出现负电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。
铌镁酸铅：20世纪60年代发展起来的压电陶瓷， 具有极高的压电系数和较高的工作温度， 而且能 承受较高的压力。
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三、有机高分子压电材料
第8章 压电传感器
1、某些合成高分子聚合物经延展拉伸和电极化处理 而成，如聚偏二氟乙烯(PVDF)；
2、高分子化合物中参杂PZT和BaTiO3粉末制成薄膜。
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第8章 压电传感器
天然形成的石英晶体外形
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石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
第8章 压电传感器
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双面镀银并封装
10
第8章 压电传感器
• 纵向压电效应: 若从晶体上沿y方向切下一块晶片，沿电轴
方向施加作用力F1时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷，
其大小为
q1 d11F1
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压电石英特性：
第8章 压电传感器
优点：性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能非 常好，绝缘阻抗一般大于1012 。
缺点：石英晶体的压电系数比压电陶瓷小的多， 且价格较贵，所以压电石英一般用于制作标准仪 器或要求较高的传感器。
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二、压电陶瓷
第8章 压电传感器
第8章 压电传感器
第8章 压 电 式 传 感 器
8.1 压电效应及压电材料 8.2 压电式传感器测量电路 8.3 压电式传感器的应用
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第8章 压电传感器
8.1 压电效应及压电材料
• 正压电效应(压电效应)：某些电介质，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 它的两个表面上便产生符号相反的电荷；
压电效应称为“横向压电效应”。
而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
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石英晶体
第8章 压电传感器
z
o
x
y
x
(a)
(a) 晶体外形 (b)
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z
o
y
(b)
(b) 切割方向
z
b o
x
cy
a
(c)
(c) 晶片
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第8章 压电传感器
天然形成的石英晶体外形
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