单元五任务二压电传感器
传感器与检测技术第5章 压电式传感器
5.2.2 压电传感器等效电路
压电传感器的压电元件，在受到外力作用时， 会在一个电极表面聚集正电荷，在另—表面聚 集负电荷，因此压电式传感器可以看成一个电 荷发生器，或者看成—个电容器。若已知压电 片面积为S，压电片厚度为b，压电材料的相对 介电常数为ε，等效电容器的电容值为
压电元件作为压力传感器使用时，有两种等效 电路形式，如图5-6所示。图5-6a为电压源等 效电路，图5-6b是电流源等效电路。从等效电 路（荷R可或L→见电∞。压）只才，有能且在长内外期部电保无路存漏负下电载来时R，L，无如受穷果力大负产载生不的是电无 穷以大指（数（规R律L≠放∞电），，而电这路种将结按果时必间然常带数来RL测Ca量=τ误， 差。
图5-2所示为天然结构的石英晶体外形，5-2a是正六 面体，用 3根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴 Z 称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的 X 轴称为电轴；与 X 轴和 Z 轴同时垂直的Y 轴称为机 械轴。通常把沿电轴 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；把沿机械轴Y方向的 力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应， 而沿光轴 Z 方向受力时不产生压电效应。
的体压切力片作的用几时何，尺寸Qx与无作关用。力Fx 成正比，而与晶
如果在同一个晶体切片上作用力是沿着机 械轴的方向，其电荷仍在与 X 轴垂直平面 上出现，其极性如图 5-3 c所示，此时电荷 的大小为
式中 ，l 和 h 分别为晶体切片的长度和厚度；d12为 石英晶体 Y 轴方向上受力的压电系数。
2）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）
锆钛酸铅压电陶瓷是钛酸铅和锆酸铅材料组成的固 熔体。它有较高的压电常数（d 11 =（200~500） ×10-12C/ N）和居里点（300℃以上），工作温度 可达250 ℃ ，是目前经常采用的一种压电材料。
压电传感器工作原理
压电传感器工作原理
压电传感器是一种能够将机械压力转化为电信号的传感器。
它的工作原理基于压电效应，该效应是指材料在受到压力时会产生电荷，反之亦然。
压电传感器通常由压电陶瓷材料构成，如压电晶体、压电陶瓷等。
当外部施加压力时，压电材料的晶格结构被压缩，导致内部的电荷分布发生改变。
这种电荷分布的改变可以通过连接在压电材料两端的电极上，形成电压信号输出。
在压电传感器中，压电材料通常被固定在一个机械结构上，这样当外部施加压力时，机械结构会变形，从而导致压电材料发生压缩或拉伸。
通过检测压电材料的电荷变化，就可以获得与外部施加压力相关的电压信号。
压电传感器具有很高的灵敏度和频率响应，能够测量极小的压力变化。
它广泛应用于汽车制动系统、工业自动化、医疗设备等领域。
此外，压电传感器还被用于制造声音传感器、加速度计、压力传感器等其他类型的传感器。
压电传感器 教案
压电传感器教案一、教学目标1. 知识目标：了解压电传感器的原理、结构和工作方式，掌握其常见应用领域；2. 技能目标：能够选择适合的压电传感器并正确使用，能够进行相关实验和数据分析；3. 情感目标：培养学生的实践能力和创新思维，增强对科学技术的兴趣。
二、教学重点与难点1. 重点：压电传感器的原理和应用；2. 难点：压电传感器的工作原理及其相关实验。
三、教学方法采用多媒体讲解、案例分析和实验演示相结合的教学方法。
四、教学内容与顺序安排1. 压电传感器的定义和基本原理a. 压电效应的概念介绍b. 压电材料的特点及其应用领域c. 压电传感器的基本结构和工作原理2. 常见的压电传感器类型及其应用a. 压电位移传感器b. 压电加速度传感器c. 压电压力传感器d. 压电流量传感器3. 压电传感器的选用与使用注意事项a. 根据应用需求选择合适的压电传感器b. 掌握正确的传感器安装和连接方法c. 学习传感器的校准和维护4. 相关实验演示和数据分析a. 利用压电传感器测量物体的位移、加速度、压力或流量b. 分析实验数据并进行结果讨论5. 压电传感器的发展与展望a. 简要介绍压电传感器的研究现状b. 展望压电传感器在未来的应用前景五、教学过程与方法1. 多媒体讲解：通过PPT展示，介绍压电传感器的原理、结构和工作方式，并展示其在不同领域的应用案例。
2. 案例分析：结合实际案例，分析压电传感器的选用和使用注意事项，并引导学生思考如何解决实际问题。
3. 实验演示：组织学生进行压电传感器的实验演示，让学生亲自操作和观察实验现象。
4. 数据分析：引导学生对实验数据进行分析和结果讨论，培养其科学实验和数据分析能力。
5. 小组讨论：组织学生进行小组讨论，讨论压电传感器的发展方向及其可能的应用领域。
6. 总结回顾：对本节课内容进行总结回顾，并对学生提出的疑问进行解答。
六、教学评价与展望1. 教学评价a. 课堂表现：学生的参与度、表达能力和问题解决能力；b. 实验报告：学生对实验结果的分析和总结能力。
《压电传感器》PPT课件 (2)
精选ppt
13
如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其
晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在
正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向
的作用力产生的压电效应称为纵向压电效应，
把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应
称为横向压电效应，沿光轴(Z轴)方向的作用力
不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生
(b)
硅氧离子的排列示意图
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18
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。 如图所示。
因为P = qL（q为电荷量，L为
正负电荷之间的距离），此时 正负电荷中心重合，电偶极矩 的矢量和等于零，即
P1+P2+P3＝0
切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电
效应。
精选ppt
14
精选ppt
15
晶体切片
当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷
qx d11Fx
d11——压电系数（C/N）
作用力是沿着机械轴方向
电荷仍在与X轴垂直的平面
qy d12baFy d11baFy
此时， d12 d11
精选ppt
，当外加电场反向时，产生形变也反向。
精选ppt
4
5.1.2 压电材料 压电材料的分类
压电晶体
压电材料
压电陶瓷 新型压电材料
压电半导体 有机高分子压电材料
精选ppt
5
1、压电材料的主要特性参数
① 压电常数: 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参 数，它直接关系到压电输出灵敏度。
第5章-压电式传感器PPT课件
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
.
3
1.正压电效应演示
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；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。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
.
7
1.石英晶体
在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系 数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时，石 英晶体将完全失去压电特性，这就是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械 强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电 系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要 求较高的传感器中。
压电传感器大多是利用压电材料的压电效应 （在超声和电声工程中也有利用逆压电效应）
.
6
压电材料应具备以下几个主要特性： 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。 ③电性能。高电阻率和大介电常数。 ④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高 的居里点，获得较宽的工作温度范围。
（b）
压电效应。
.
20
石英晶体受力方向与电荷极性关系
.
21
极化强度即： P11d11x d11aFxc d11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面 的轴向及施加作用力的轴向；
a、c——石英晶片的长度和宽度。
.
9
石英晶体
天然形成的石英晶体外形
.
10
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
.
第5章-压电式传感器课件
荷会通过放大器输入电阻和传感器本身的漏电阻漏掉，
所以压电传感器不能用于静态测量。
当3＞ ＞1，即3＞ > 1 时，前置放大器输入电
压 随频率增加而渐渐减缓.
>3 时, 可近似认为输入电压与作用力的频率 无关。即说明压电传感器的高频响应比较好，所以它用 于高频交变力的测量，而且相当理想。
一般电压放大器采用高输入阻抗的前级放大器, 一般在集成运放出现以前多采用MOS场效应管和分 离元件来实现,但由于调试周期长,抗干扰能力较弱,所 以目前多采用集成运放来作为前级的放大.一般采用
2 微型化：随着微加工技术和纳米技术的进步，
生物传感器将不断地微型化，各种便携式生物传感器
的出现使人们在家中进行疾病诊断，在市场上直接检 测食品成为可能。
3、智能化与集成化：未来的生物传感器必定与计
算机紧密结合，自动采集数据、处理数据，更科学、 更准确地提供结果，实现采样、进样、结果一条龙,形 成检测的自动化系统。同时, 芯片技术将越来越多地 进入传感器领域,实现检测系统的集成化、一体化。
要注意的是，这两种放大器电路的输入端都应加过 载保护电路；否则，在传感器过载时会产生过高的输 出电压。
第五节 压电式传感器的应用
广义地讲，凡是利用压电材料各种物理效应构成的 各种传感器，都可称为压电式传感器、它们已经广泛 地应用在工业、军事和民用等领域。表5—2给出了其 主要应用类型。在这些应用类型中力敏类型应用最多。 可直接利用压电传感器测量力、压力、加速度、位移 等物理量。
第二节 压电传感器的连接方式
一、压电晶片的连接方式:
由于外力作用而使压电材料上产生电荷，该电 荷只有在无泄漏的情况下才会长期保存．因此需要测 量电路具有无限大的输入阻抗，而实际上这是不可能 的，所以压电传感器不宜作静态测量．只能在其上加 交变力电荷才能不断得到补充．可以供给测量电路一 定的电流．故压电传感器只宜作动态测量。
第五章 压电式传感器
逆压电效应示意图 Ｅ （实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况）
＋＋＋＋＋＋ 极化 方向 －－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
电 场 方 向
由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是 由于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过 极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在 剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场 的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现 压电效应。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电 荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷 不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电 现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电 极面上自由电荷的释放或补充的结果。
j wq& 1 1 1 + A0 ) + j w[ Ca + ( 1 + A0 ) CF +( RF Ra
]
& = & = A0US 输出电压 USC
&A j wq 0 1 1 1 + A0 ) + j w[ Ca + ( 1 + A0 ) CF ] +( RF Ra
电荷放大器原理电路图
U∑
－A0
C’ USC
根据上式画出等效电路图
q
Ra C a R’
CF、RF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1＋A0)倍。电导1／RF 也增大了(1＋A0)倍。所以图中C΄=(1＋A0)CF；1/R΄=(1 ＋A0)1／RF，
这就是所谓“密勒效应”的结果。
运放输入电压
& US =
电极 －－－－－ ＋＋＋＋＋ 极化方向 自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图
压电传感器原理
压电传感器原理压电传感器是一种常用的传感器，其原理是基于压电效应。
压电效应是指某些晶体在外力的作用下会产生电荷，也就是将机械能转化为电能。
压电传感器利用了这一效应，将外力转化为电信号输出，从而实现对压力、负荷等物理量的测量和监测。
本文将全面介绍压电传感器的原理及其应用。
一、压电效应原理及其分类压电效应是一种晶体学现象，即在某些晶体中，当施加的机械应力达到某一阈值时，晶体中会产生电荷。
这种效应可以用晶体结构中的不对称性来解释，通常分为自然压电效应和应变压电效应两种。
1.自然压电效应自然压电效应是指在施加机械应力之前，晶体表面就已经分布着正负电荷的现象。
当施加应力时，晶体内部的电荷分布发生变化，导致晶体两端产生电势差，并将产生电流。
应用较为广泛的压电晶体有石英晶体、铁电晶体（如PZT）等。
应变压电效应是指在施加机械应力后，由于晶体结构中的电偶极矩的改变，产生正负电荷分离的现象。
当应力作用取消后，电荷再次平衡，产生的电势差也随之消失。
应变压电传感器多采用这种效应。
压电传感器是一种将物理量转化为电信号输出的传感器，其主要原理是应变压电效应，即施加的外力将导致压电材料内部电势分布的变化，进而产生电信号输出。
压电传感器的基本原理如下：声波压电传感器是指将声波信号转化为电信号输出的传感器。
其工作原理是将声波信号传递到压电晶体表面，使压电晶体发生振动，并将振动转化为电信号输出。
声波压电传感器通常被广泛应用于声音采集、锤击测试等领域。
应变压电传感器是一种常见的压电传感器，其工作原理是利用应变压电效应实现压力或负载等物理量的测量。
应变压电传感器的构造通常由薄片状的压电晶片、支撑结构和电路组成。
当外力作用于传感器支撑结构时，传感器会产生应变，这种应变将改变晶片中的电势分布，从而导致电信号的输出。
应变压电传感器是一种高精度、高灵敏度、可靠性较高的传感器，常被应用于工业控制和实验室测量领域。
加速度压电传感器是一种将加速度信号转化为电信号输出的传感器。
传感器-力和压力的检测
4、组合式压力传感 组合式压力传感器用于测量小压力，结构图如图3-14 所示，由波纹膜片、膜盒、波纹管等弹性敏感元件构成。 电阻应变计粘贴在梁的跟部感受应变。当元件感受压力后， 推动推杆使梁变形，从而使电阻应变片随之变形，并改变 阻值。悬臂梁的刚性较大，用于组合式压力传感器，可以 提高测量的稳定性，减小机械滞后。
图3-11
电阻应变式纱线张力测试装置
2、筒式压力传感器 当被测压力与应变管的内腔相通时，应变管部分产生应 变， 在薄壁筒上贴2片应变计做工作片，实心部分贴2片应变 计做温度补偿应变片。没有压力作用时，这4片应变片构成 的全桥处于平衡；当外部压力作用于应变管内腔时，圆管发 生形变，使全桥失去平衡。这种压力传感器测量范围在 106Pa～107Pa或更高的压力。其结构简单，制作方便，使 用面宽，在测量火炮、炮弹、火箭的动态压力方面得到了广 泛应用。
[技能要点]
学会识别一般的电阻应变式传感器、压电式传 感器，了解电阻应变式传感器和压电式传感器的基 本结构和材料，通过实验掌握电阻应变式传感器的 使用方法，掌握电阻应变式传感器测量电路的调试 方法。
[知识要点] 了解电阻应变式传感器、压电式传感器的基本 结构、材料，掌握直流电桥的平衡条件及电压灵敏 度，熟悉电阻应变片的温度补偿方法。学习电阻应 变式、压电式传感器在相关领域的应用。
图3-16 应变式加速度传感器
活动4： 认识几种应变式传感器
任务二：了解应变片的应用
活动1：模拟电子称实验电路
电子称是将转换成电信号的称重传感器。电子台秤不仅 能快速、准确地称出商品的重量，用数码显示出来，而且具 有计算器的功能，使用起来更加方便。下面的实验为模拟电 子称实验。 一、实验目的 1、了解电阻应变式传感器的基本结构。 2、掌握电阻应变式传感器的使用方法。 3、掌握电阻应变式传感器测量电路的调试方法。
压电传感器 教案
压电传感器教案一、教学目标1. 了解压电传感器的原理和特点。
2. 掌握压电传感器的应用领域和工作原理。
3. 能够正确选择和使用压电传感器。
4. 能够进行简单的压电传感器的实验和测量。
二、教学内容1. 压电传感器的概念和基本原理a. 压电效应的发现和发展历程b. 压电传感器的定义和分类c. 压电传感器的工作原理2. 压电传感器的应用领域a. 压力测量和控制b. 加速度和振动测量c. 温度和湿度测量d. 流量和液位测量e. 其他应用领域介绍3. 压电传感器的工作原理和特点a. 压电材料的选择和特性b. 压电传感器的结构和工作原理c. 压电传感器的特点和优势4. 压电传感器的选型和使用a. 压电传感器的选择因素b. 压电传感器的安装和调试c. 压电传感器的使用注意事项5. 压电传感器的实验和测量a. 压电传感器的实验装置和测量方法b. 压电传感器的灵敏度和精度测试c. 压电传感器的实验结果分析和讨论三、教学过程1. 导入（5分钟）通过提问和展示压电传感器的实物，引导学生对压电传感器产生兴趣，并了解其基本概念。
2. 知识讲解（30分钟）分模块讲解压电传感器的原理、应用领域、工作原理和特点，结合具体案例和图示进行讲解。
3. 讨论和思考（15分钟）提出问题，引导学生思考压电传感器在实际生活和工作中的应用，鼓励学生积极参与讨论。
4. 示例演示（20分钟）通过示范装置和实验仪器，演示压电传感器的应用和测量过程，让学生亲自参与实验操作。
5. 实验探究（30分钟）提供实验器材和材料，让学生自行组织进行相关实验，记录实验数据并进行结果分析和讨论。
6. 总结和提高（10分钟）对压电传感器的重要概念、应用领域和工作原理进行总结，并指导学生进行进一步的学习和提高。
四、教学资源1. PPT幻灯片：提供相关知识点的图示和案例说明。
2. 实验器材和仪器：提供压电传感器的实验装置和测量仪器。
3. 实物样品：展示压电传感器的实物样品，加深学生对其外观和结构的认识。
第5.2 压电传感器56
若结构的输入为加速度 xi ，则由式（3.4-10）变换可得：
(
Xo j ) 2
( j ) X i ( j )
Xo ( Xi (
j ) j )
(
j ) 2
Kn
/
2 n
2j
/n
1
（3.5-11）
图 3.5-8 加速度计特性曲线 （a）幅频特性曲线 （b）相频特性曲线
分析结论： （1）惯性式加速度传感器的工作频段是在ω/ωn=0~1之间的平 坦
图 3.5-1
极化强度Pxx与应力σxx成正比，即
式中
Pxx
d11
xx
d11
Fx lb
Fx——沿晶轴X—X方向施加的压力； d11——压电系数，石英晶体的d11=2.3×10-12CN-1；l——切片的长；Fra bibliotekb——切片的宽。
（3.5-1）
极化强度Pxx又等于切片表面产生的电荷密度，即
式中
Pxx
q xx lb
d12
ly lx
Fy
式中 d12—石英晶体在Y—Y轴方向受力时的压电系数； ly，lx—石英切片的长和厚。
根据石英晶体轴的对称条件有 d12 d11
（3.5-4）
则式（5.73）变为
q xy
d11
ly lx
Fy
（3.5-5）
当沿着机轴Y—Y方向施加压力时，产生的电荷量与晶片几何尺寸有关，
而该电荷的极性则与沿电轴X—X方向加压力时产生的电荷极性相反
（式中负号）。
（3）铁电陶瓷压电效应分析 铁电陶瓷是另一类人工合成的多晶体压电材料，它们的极化过程
与单晶体的石英材料不同。这种材料具有电畴结构形式，其分子形式 呈双极型，具有一定的极化方向。
压电传感器 教案
3、利用问题导向法和任务驱动法，引导学生思考讨论，同时进行讲解，带领学生实际操作，使枯燥的知识易于理解、掌握。通过实物、课件、实际操作的有机结合，使学生对知识有了更深刻的认识。
情感与
态度
1．让学生在自主解决问题的过程中培养成就感，为今后学会自主学习打下良好的基础。
2．通过小组协作活动，培养学生合作学习的意识、研究探索的精神和严谨的科学态度，从而调动学生的积极性，激发学生对检测技术的兴趣。
教学重点
1、压电传感器的工作原理；2、压电传感器的识别和应用。
教学难点
1、压电传感器的典型应用电路分析；2、压电传感器的应用。
教学方法
1、问题导向和任务驱动教学法；2、演示教学法；3、协作学习法；4、思考讨论学习法。
教学环境及
资源准备
教学做一体化教室、多媒体课件、压电传感器、主控实验箱、实验模块等。
教学过程
任务驱动
教师活动
学生活动
导入新课
压电传感器测量振动实验
一、创设情景，引入新课
1、通过演示振动实验，提出问题，
2、引导学生思考，并引出学习任务。
教学目标
知识与
技能
1．在观察实物及动手实践的基础上，使学生对压电传感器有直观的认识，了解器件结构，掌握器件特性，并能够分析压电传感器的典型应用电路。
2．培养学生独立思考、合作学习、观察、以及归纳总结的能力。
3.培养学生的动手实践能力，实现概念和实物的对接。
过程与
方法
通过实物演示、任务导向、学生讨论、师生交流、动手实践等形式，培养学生观察、分析和总结的能力。
实际动手操作，理解压电传感器测量振动的原理，并进行验证。
《传感器技术与应用》课程标准
《传感器技术及应用》课程标准一、课程性质与任务本课程是中等职业学校电子技术应用专业学生必修的专业基础平台课程。
其任务是：使学生掌握常用传感器的基本概念、基本特性和基本参数，了解常用传感器的结构形式和相关的测量电路，能够根据实际情况选用合适传感器，学会常用传感器的维护方法，能够运用电子电路仪器设备，对传感器进行安装、调试和检测，从而达到传感器应用专项职业能力考核规范的要求。
对学生进行职业意识培养和职业道德教育，提高职业能力，为学生职业生涯的发展奠定基础。
二、课程教学目标（一）知识目标1．了解传感器技术的发展现状、特点以及在信息技术中的重要地位；2．了解传感器在生产控制领域和实际生活中的作用；3．掌握常用传感器的基本工作原理及特性；4.会分析各种传感器测量电路；5.了解各种传感器的典型应用。
（二）能力目标1. 初步具备查阅传感器手册并合理选用能够正确识别和选用传感器的能力；2. 会使用常用电子仪器仪表调试和检测传感器；3.能够看懂传感器安装接线图，学会正确安装；4.了解传感器的安全操作规范，能够维护传感器。
（三）素养目标1．培养学生勤于思考、做事认真、严谨的良好作风；2.培养学生分析问题、解决问题的能力；3.培养学生的沟通能力及团队协作精神；4.培养学生的质量意识、安全意识；5.培养学生社会责任心、环保意识。
三、课程主要内容及特点本课程内容主要由11个教学模块组成，内容包括：认知传感器、认知应变式电阻传感器、认知电容式传感器、认知电感式传感器、认知压电式传感器、认知超声波传感器、认知霍尔传感器、认知温度传感器、认知湿度传感器、认知光敏传感器和认知气敏传感器。
教学重点是各种传感器的认知、安装检测以及选型，，难点是传感器的基本原理、结构特征、测试电路的理解。
课程总学时不低于108个。
四、课程教学内容及安排五、教学实施（一）学时安排建议学时分配参考表（二）教学方法建议本课程为单元模块课程，各单元由单元情景、单元学习目标、单元任务、单元学习检测与评价、单元小结五部分构成。
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主要特性指标： （1）压电系数d 表示压电材料产生电荷与 作用力的关系。一般为单位作用力下产生电荷 的多少。单位为C/N（库仑/牛顿）。 （2）刚度H 压电材料的刚度是它固有频率 的重要参数。 （3）介电常数ε 这是决定压电晶体固有电 容的主要参数，而固有电容影响传感器工作频 率的下限值。 （4）电阻R 它是压电晶体的内阻，它的大 小决定其泄漏电流。 （5）居里点 压电效应消失的温度转变点。
＋
正压电效应示意图
2015/8/23 30
2015/8/23
31
若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用 使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距 离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理， 如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极 化方向产生缩短形变。这种 由于电效应而转变为机 - - - - 电 械效应，或者由电能转 ＋＋＋＋＋ 场 方 变为机械能的现象，就 Ｅ 极化方向 向 是压电陶瓷的逆压电效应。 - - - - ＋＋＋＋＋
2015/8/23
Fx -
+ + Fx - P1 P3 + x + + P2 + + - (b) Fx<0
18
2015/8/23
19
当晶体受到沿x方向的拉力（Fx ＞0）作用时， 其变化情况如图5-5（c）所示。电偶极矩P1增 大， P2、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方 向上的分量为 y (P1 +P2 +P3) x<0 Fx Fx + + (P1+ P2+ P3)y =0 x + P1 P 3 + (P1 +P2 +P3)z =0 P2 +
2015/8/23
4
鸣沙山位于甘肃敦煌市南郊七公里的鸣沙山北麓，面积约 200平方公里。游人攀上沙丘，由山顶往下滑，沙砾随人体 而落下，也会发出一阵阵轰响，近闻如兽吼雷鸣，远听如神 声仙乐。是“郭煌八景”之一，景名“沙岭晴鸣”。
2015/8/23 5
（二） 压电材料的种类 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受 到压力时，晶格产生变形，表面产生正电荷， 电荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为 压电效应 。还有一些人造的材料也具有压电效 应。 具有实用价值的压电材料基本上可分为三大类： 1. 压电晶体 2. 压电陶瓷 3. 新型压电材料
方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场
去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极
化强度很大，这时的材料才具有压电特性。
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陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来， 即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电 荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了 一层来自外界的自由电荷。这 些自由电荷与陶瓷片内 自由电荷 电极 的束缚电荷符号相反而 - - - - ＋＋＋＋＋ 数量相等，它屏蔽和抵 极化方向 消了陶瓷片内极化强度 束缚电荷 - - - - 对外界的作用。 ＋＋＋＋＋
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终 能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态 压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、 信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构 坚固、可靠性、稳定性高。
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二、相关知识 （一）压电效应的概念
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电场 方向
(a)
(b)
压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化
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分析： 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生
转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材 料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更 完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使 材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化
电极 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图
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如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷 之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸 附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压 力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变大， F － - - - - 因此电极上又吸附一部 ＋＋＋＋＋ 分自由电荷而出现充电 极化方向 现象。——正压电效应。 - - - - ＋＋＋＋＋
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3.新型压电材料：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
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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 （Zr、Ti）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。
答案：C 、D
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2. 压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，
它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造
成本却较低，因此目前国内外生产的压电元
件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶
瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及
非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
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+
+ (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。 2015/8/23 20
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Q dFx
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小 结
可 见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用 时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则 不产生压电效应。晶体在y（即机械轴）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。
某些物质(物体)，如石英、铁酸钡等，当受到外 力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会 被极化，表面上也会产生电荷；当外力去掉时，又重 新回到原来的状态。这种现象称之为压电效应——将 机械能转换成电能。相反，如果将这些物质 (物体) 置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电 场作用导致物质 (物体)产生机械变形的现象，称之 为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应——将电能转 换成机械能。具有压电效应的物质(物体)称为压电材 料(或称为压电元件),压电材料能实现机械能—电能 的相互转换，如图5-18所示。 2015/8/23 3
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新型压电材料
1. 压电半导体材料 压电半导体材料有ZnO、CdS 、ZnO 、CdTe等， 这种力敏器件具有灵敏度高，响应时间短等优点。 此外用ZnO作为表面声波振荡器的压电材料，可 检测力和温度等参数。
2. 高分子压电材料 目前出现的压电薄膜有聚二氟乙烯PVDF、聚氟 乙烯PVF、聚氯乙烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂 PMG等。高分子压电材料是一种柔软的压电材 料，不易破碎，可以大量生产和制成较大的面 2015/8/23 48 积。
逆压电效应示意图
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压电陶瓷外形
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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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压电陶瓷特点： 有良好的工艺性，可以加工成各 种形状，压电系数较高，制造成 本低，目前国内外生产的压电元 件大多采用压电陶瓷。
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y
x
y + x
+ + (b)
-
(a)
硅氧离子的排列示意图
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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5-5（a）所 示。 y
+ 因为P = qL（q为电荷量，L为 P3 P 1 正负电荷之间的距离），此时 + P2 正负电荷中心重合，电偶极矩 + 的矢量和等于零，即 (a) Fx=0 P1+P2+P3＝0 所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。
响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。2015/8/ Nhomakorabea3 37
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
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高分子压电薄膜及拉制
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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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高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
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压电陶瓷
压电陶瓷主要有以下几种： 1. 钛酸钡压电陶瓷 钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧 化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压 电陶瓷。 它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为 石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低 （120℃），温度稳定性和机械强度不如石英晶 体。
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x
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当晶体受到沿x方向的压力（F x < 0）作用时，晶 体沿x方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随 之发生变化，如图5-5（b）所示。此时正、负电 荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大， 它们在x 方向上的分量不再等于零: (P1+P2+P3)x>0 y 在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0