07第六章 压电传感器
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第六章 压电传感器
qxx d12 l / h Fy d11l / h Fy
所以 d12 d11 （压电系数）
分析：因为 而电荷密度
P xy
qxy lb
Pxy
d12 xy
d12
Fy bt
所以 qxy d12l / h Fy 成立
同理逆压电效益产生的形变△l，在X轴方向上外加电场Ux，则
(4) 在X轴方向上施加 一个拉力。则这个拉力 Fx>0时 (纵向电压效应） ，如 图所示，则同理
P1 P2 P3 x 0
在X轴正方向上产生负电
荷，X轴反方向上产生负
电荷。在Y轴和Z轴上不产
生电荷。
石英晶体压电机构示意图
(5) 在Y轴方向上施加一个外力Fy时（横向压电效应） ，则 当 Fy>0 （ 拉 力 ） ， 其 效 果 如 图 （ b ） Fx<0 （ 压 力 ） 时 的 情 形 ； 当
聚二氟乙烯（PVF2）——高效分子聚合物薄膜，在膜 厚方向加直流高压、电场极化后，具有压电性能。
6.1.2压电效应
某些电介质物质在在一定方向上受到外力作用变形时，内部会 产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新 回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。
特点：自发电；可逆。两种重要性能。 按转换方式可以分为正压电效应和逆压电效应两种形式 正压电效应：即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外力作 用变形时，其外部会产生变形和伸缩，内部产生极化现象（类似于 铁磁体的磁化现象），同时晶体的两个表面上产生符号相反的电荷 （或产生内部电场）。当力消失后，又重新回复不带电状态。当作 用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
电畴特性和极化处理
所以 d12 d11 （压电系数）
分析：因为 而电荷密度
P xy
qxy lb
Pxy
d12 xy
d12
Fy bt
所以 qxy d12l / h Fy 成立
同理逆压电效益产生的形变△l，在X轴方向上外加电场Ux，则
(4) 在X轴方向上施加 一个拉力。则这个拉力 Fx>0时 (纵向电压效应） ，如 图所示，则同理
P1 P2 P3 x 0
在X轴正方向上产生负电
荷，X轴反方向上产生负
电荷。在Y轴和Z轴上不产
生电荷。
石英晶体压电机构示意图
(5) 在Y轴方向上施加一个外力Fy时（横向压电效应） ，则 当 Fy>0 （ 拉 力 ） ， 其 效 果 如 图 （ b ） Fx<0 （ 压 力 ） 时 的 情 形 ； 当
聚二氟乙烯（PVF2）——高效分子聚合物薄膜，在膜 厚方向加直流高压、电场极化后，具有压电性能。
6.1.2压电效应
某些电介质物质在在一定方向上受到外力作用变形时，内部会 产生极化现象，同时在其表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新 回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。
特点：自发电；可逆。两种重要性能。 按转换方式可以分为正压电效应和逆压电效应两种形式 正压电效应：即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外力作 用变形时，其外部会产生变形和伸缩，内部产生极化现象（类似于 铁磁体的磁化现象），同时晶体的两个表面上产生符号相反的电荷 （或产生内部电场）。当力消失后，又重新回复不带电状态。当作 用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
电畴特性和极化处理
传感器与检测技术习题答案(六)
第6章 压电传感器习题答案
1．为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量?
答：因为压电式传感器是将被子测量转换成压电晶体的电荷量，可等效成一定的电容，如被测量为静态时，很难将电荷转换成一定的电压信号输出，故只能用于动态测量。
2．压电式传感器测量电路的作用是什么?其核心是解决什么问题?
答：压电式传感器测量电路的作用是将压电晶体产生的电荷转换为电压信号输出，其核心是要解决微弱信号的转换与放大，得到足够强的输出信号。
3．一压电式传感器的灵敏度K 1＝10pC ／MPa ，连接灵敏度K 2=0.008V ／pC 的电荷放大器，所用的笔式记录仪的灵敏度K 3=25mm ／V ，当压力变化Δp =8MPa 时，记录笔在记录纸上的偏移为多少?
解：记录笔在记录纸上的偏移为
S =10×0.008×25×8=16/mm
4．某加速度计的校准振动台，它能作50Hz 和1g 的振动，今有压电式加速度计出厂时标出灵敏度K ＝100mV ／g ，由于测试要求需加长导线，因此要重新标定加速度计灵敏度，假定所用的阻抗变换器放大倍数为1，电压放大器放大倍数为100，标定时晶体管毫伏表上指示为9.13V ，试画出标定系统的框图，并计算加速度计的电压灵敏度。
解：此加速度计的灵敏度为
3.91100
9130=='K mV/g 标定系统框图如下：。
传感器课件6章压电式传感器
在压力测量中的应用
总结词
压电式传感器在压力测量中具有高精度、低迟滞和抗干扰能力强的特点，适用于各种压力测量场合。
详细描述
压电式传感器利用压电材料的压电效应，将压力转换成电信号，通过测量电信号的大小来推算出压力 的大小。在压力测量中，压电式传感器广泛应用于气体、液体和蒸汽的压力测量，以及医疗、化工和 航空航天等领域的高精度压力测量。
03
压电式传感器的信号调理
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
前置放大器
前置放大器的作用
前置放大器是压电式传感器信号 调理中的重要环节，其主要作用 是将传感器输出的微弱信号放大 ，以便后续的信号处理和分析。
前置放大器的选择
在选择前置放大器时，需要考虑 放大器的增益、输入阻抗、输出 阻抗、带宽和噪声等参数，以确 保放大后的信号质量满足要求。
压力测量
由于压电式传感器能够检测微小的压 力变化，因此可以用于压力测量领域 ，如气瓶压力监测等。
生物医学应用
在生物医学领域，压电式传感器可用 于监测生理信号，如心电图、脑电图 等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
02
压电式传感器的结构和工作原理
压电材料的种类和特性
逆压电效应
当压电材料受到拉伸或扭曲时，同 样会在垂直于作用力方向的平面上 产生电荷，称为逆压电效应。
压电式传感器的特点
高灵敏度
由于压电材料的压电效应，压 电式传感器具有很高的灵敏度 ，能够检测微小的形变和压力
变化。
快速响应
压电式传感器的响应速度很快 ，能够在极短的时间内对压力 变化做出响应。
结构简单
检测技术第6章部分练习答案
精品文档.第六章压电传感器思考题与习题答案1．单项选择题1）将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的___C___；蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声的压电片发声原理是利用压电材料的___D___。
A. 应变效应B. 电涡流效应C.压电效应D. 逆压电效应2）在实验室作检验标准用的压电仪表应采用___D___压电材料；能制成薄膜，粘贴在一个微小探头上、用于测量人的脉搏的压电材料应采用___C___；用在压电加速度传感器中测量振动的压电材料应采用__B____。
A. PTCB. PZT C .PVDF D. SiO23）使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量___C___。
A. 人的体重B. 车刀的压紧力C. 车刀在切削时感受到的切削力的变化量D. 自来水管中的水的压力4）动态力传感器中，两片压电片多采用___B___接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用___A___接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。
A. 串联B.并联C. 既串联又并联5）测量人的脉搏应采用灵敏度K约为___A___的PVDF压电传感器；在家用电器（已包装）做跌落试验，以检查是否符合国标准时，应采用灵敏度K为___B___的压电传感器。
A. 10V/gB. 100mV/gC. 0.001mV/g6）PZT是利用____B____的原理工作的，它是用____H____材料制作的；上网查阅GMM，是利用___A____的原理工作的，它是用____E____材料制作的。
A.超磁致伸缩效应B.压电效应C. 逆压电效应D.热敏效应E.稀土铁磁合金F. 含镍铁磁合金G. 高分子H. 压电陶瓷2．用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度，若传感器的灵敏度为70pC/g（g为重力加速度），电荷放大器灵敏度为10mV/pC，试确定输入3g（平均值）加速度时，电荷放大器的输出电压oU（平均值，不考虑正负号）为____B____mV。
第六章 压电传感器
0 0 0 0 d15 0 式中：d33=190×10-12(C/N) -12(C/N) 0 0 0 d d = d = − 0.41 d = − 78 × 10 31 32 33 0 0 24 d15= − d24=250×10-12(C/N) d 31 d 32 d 33 0 0 0
这种沿X轴作用力，而在垂直于 此轴晶面上产生电荷的现象，称 为“纵向压电效应”。
X
− −
Fy
− −
− +
p3
p2 + p1 −
Fy
Y
−
+
+ + + +
当石英晶体受到沿Y轴方 向的压缩力作用时，电偶极矩 0 在X轴方向的分量 ( p1 p2 p3 )x ， 在X轴的正方向的晶体表面上 出现负电荷。（这种情况等同 于沿X轴方向的拉力作用）， 同样在垂直于Y轴和Z轴的晶面 上不出现电荷。 这种沿Y轴作用力，而在垂 直于X轴的晶面上产生电荷的 现象，称为“横向压电效应。”
石英晶体的压电效应演示
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。
2、逆压电效应（电致伸缩效应） 在电介质的极化方向上施加外部电场，电介质就会 在一定方向上产生机械变形或机械应力。当外电 场去掉后，这些变形或应力也随之消失。
现将组成石英（SiO2）晶体的硅离子和氧离子的排列 在垂直于晶体Z轴的xy平面上进行投影，等效为正六边形 排列。 − 图中“+ ”代表Si4+，“ ”代表2O2−。 当石英晶体未受力作用时， 正、负离子（即Si4+和2O2−）正好 分布在正六边形的顶角上，形成三 个大小相等，互成120°夹角的电 偶极矩 p1、 p2 和 p3（p=ql，q为电 荷量，l为正、负电荷之间的距 离） 。 电偶极矩的矢量和等于零， 即 p1 p2 p3 0 ，这时晶体表 面不产生电荷，石英晶体从整体上 呈电中性。
第6章压电式传感器习题
式中，Uo为输出电压；a为振动系统的加速度。
则当输出电压U°=2V时，振动加速度为
a=Uo/K=2 xi03/250=8(g)
F=PS=10>106X20>0-6=200(N)歼4.5,d11=2.31>012C/N
(1)0°切割石英晶体, 等效电容
0rS
Cah =7.97 X1014(F)
8.85 10
3
10 10
受力F产生电荷
Q=diiF=2.31 X1012>200=462 >102(C)=462pC
输出电压
(2)利用纵向效应的
极板并联。若所加力F=0.01sin(1000t)N，求：
(1)两极板间电压峰 一峰值；
(2)晶体厚度的最大变化。
解：(1)石英压电晶片的电容
C
Ca-
d
=4.514 XI0-12(F)
~4.5pF
由于Ra=1014Q,并联电容R并=100MQ=108Q
则总电阻
总电容
又因
所以
d11FmR
.1 RC
=0.756K03(V)=0.756mV
=0.205n
则怕=0.205f0=0.205 30=6.15(kHz)
压电式加速度传感器下限截止频率取决于前置放大器特性,
/n
2—
2%
(取等号计算)
0.981
)2=0.9604+0.9604( )2
()2=24.25
=4.924
3=4.924/tfL=3/2n=4.924/(2)=4.924/(2 RC)=4.924/(2X5X108X109)=1.57(Hz)
输出电压
8
Q
C
则当输出电压U°=2V时，振动加速度为
a=Uo/K=2 xi03/250=8(g)
F=PS=10>106X20>0-6=200(N)歼4.5,d11=2.31>012C/N
(1)0°切割石英晶体, 等效电容
0rS
Cah =7.97 X1014(F)
8.85 10
3
10 10
受力F产生电荷
Q=diiF=2.31 X1012>200=462 >102(C)=462pC
输出电压
(2)利用纵向效应的
极板并联。若所加力F=0.01sin(1000t)N，求：
(1)两极板间电压峰 一峰值；
(2)晶体厚度的最大变化。
解：(1)石英压电晶片的电容
C
Ca-
d
=4.514 XI0-12(F)
~4.5pF
由于Ra=1014Q,并联电容R并=100MQ=108Q
则总电阻
总电容
又因
所以
d11FmR
.1 RC
=0.756K03(V)=0.756mV
=0.205n
则怕=0.205f0=0.205 30=6.15(kHz)
压电式加速度传感器下限截止频率取决于前置放大器特性,
/n
2—
2%
(取等号计算)
0.981
)2=0.9604+0.9604( )2
()2=24.25
=4.924
3=4.924/tfL=3/2n=4.924/(2)=4.924/(2 RC)=4.924/(2X5X108X109)=1.57(Hz)
输出电压
8
Q
C
传感器原理与应用习题第6章压电式传感器
《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第6章 压电式传感器6-1 何谓压电效应？何谓纵向压电效应和横向压电效应？答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。
且其电位移D(在MKS 单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T 成正比： D = dT 式中 d —压电常数矩阵。
当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。
这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S 与外电场强度E 成正比： S=d t E 式中 d t ——逆压电常数矩阵。
这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
6-2 压电材料的主要特性参数有哪些？试比较三类压电材料的应用特点。
答：主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。
压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。
此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。
不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。
新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。
因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。
6-3 试述石英晶片切型（︒︒+45/50yxlt ）的含意。
6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。
答：（1）并联：C ′＝2C ，q ′=2q,U ′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。
压电传感器(第六章)
电路并联
电路串联
C 2C,Q ' 2Q,U ' U C ' C ,U ' 2U ,Q ' Q
2
U’
+++++++++++ +
____________ _
___________
+++++++++++
+ _
U’
+++++++++++ + ___________ _ ++ + + + + + + + + + + _ ____________ +
第六章 压电传感器
主要内容
1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用
1
概述
压电式传感器是一种典型的自发电型传感 器，以电介质的压电效应为基础，外力作用 下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量 测量。 压电式传感器可以对各种动态力、机械 冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、 导航方面都得到广泛的应用。
25
聚偏氟乙烯压电材料
聚 偏 氟 乙 烯 压 电 效 应
26
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
27
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
28
压电式脚踏报警器
29
6.3 压电元件结构形式
单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传 感器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或两 片以上）同型号的压电元件粘结在一起。 由于压电材 料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。
第6章压电式传感器课件
②逆压电效应 在这些电介质的极化方向上施加 电场，它们也会产生变形，电场去掉后，变形随之消 失，这种现象称逆压电效应，或电致伸缩效应。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
第六章 压电式传感器
U im d 33 FmR
1 CR
2
i
d 33 Fm C
2
arctan RC
当R无限大时 电压幅值比：
U im Um
Um
RC
1 1 RC
CR 2 1
U im 1 2 Um 1 1 i arctan 1 2
第六章：压电式传感器
主讲人：贾鹤萍
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些 电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质 表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
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。
1、工作原理--压电效应
图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式
返回
1、工作原理--压电效应 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如上述的石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料。
1、工作原理----石英晶体 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，
Z轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体 不产生双折射现象。
q1 q11 q12 q13 q14 q15 q16
q1 d111 d12 2 d13 3 d14 4 d15 5 d16 6 q2 d211 d22 2 d23 3 d24 4 d25 5 d26 6 q3 d311 d32 2 d33 3 d34 4 d35 5 d36 6 [D] 1
1 CR
2
i
d 33 Fm C
2
arctan RC
当R无限大时 电压幅值比：
U im Um
Um
RC
1 1 RC
CR 2 1
U im 1 2 Um 1 1 i arctan 1 2
第六章：压电式传感器
主讲人：贾鹤萍
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些 电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质 表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
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。
1、工作原理--压电效应
图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式
返回
1、工作原理--压电效应 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如上述的石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料。
1、工作原理----石英晶体 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，
Z轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体 不产生双折射现象。
q1 q11 q12 q13 q14 q15 q16
q1 d111 d12 2 d13 3 d14 4 d15 5 d16 6 q2 d211 d22 2 d23 3 d24 4 d25 5 d26 6 q3 d311 d32 2 d33 3 d34 4 d35 5 d36 6 [D] 1
【课件】传感器与检测技术---压电式传感器解析
P1 -
P3
P2 +
-
X
零，即
P1＋P2＋P3＝0
(a) FX=0
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方 向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如 图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩 在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0
在Y、Z方向上的分量为：
（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
（二） 压电陶瓷
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）。不足之处是居里温度低（120℃）， 温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
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、
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线
代表形变后的情况）
同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场， 如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电 场的作用使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚 电荷之间距离也增大，就是说，陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变（图中虚线）。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械效应或者由电能转变为机械 能的现象，就是逆压电效应。
FY CX
（二） 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材 料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴是分子自发 形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无 外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被 相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。 在外电场的作用下，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场 的方向排列。从而使材料得到极化，如图 (b)所示。极化处理之后， 陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化。如图 (c)所示。
第六章 压电式传感器
二、石英晶体的压电效应
石英晶体有三个晶轴 Z轴：光轴，在Z轴方向上没有压电效应。 X轴：电轴，经过晶体棱线，沿X轴施加作用力后的压
电效应称为纵向压电效应。 Y轴：机械轴，垂直于棱面，沿Y轴施加作用力后产生
电荷的压电效应称为横向压电效应。
二、石英晶体的压电效应
从晶体上，沿y方向切下一块如图所示的晶体片
Qs
压电晶体
Cs
S CCe s
压电晶片
静电荷发生器 平行板电容器
压电传感器可等效为：
(1)一个电荷源Qs和一个电容器Cs的并联电路
Qs
Cs
Us
Qs Cs
(2)一个电压源Us和一个电容器Cs的串联电路
Cs
压电元件不适
Us
RL
合于静态测量。
二、测量电路
压电传感器的特点：高输出阻抗；低输出信号。
阻抗变换
－ A
+
Ci
传感器与测量电路连接应考虑: ●电缆电容Cc ; ●前置放大器的输入电容Ci和输入电阻Ri 。
Cs
Us
Rs
Ri Cc
－ A
+
Ci
R Rs Ri Rs Ri
C Cc Ci
Cs Us
－ A
+
R C
Cs Us
－ +A
R C
沿电轴方向施加作用力：
F Fm sin t
产生电荷：
Qs dsF
正负电荷中心始终重合，所以晶体表面无电荷产生。 沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。
二、石英晶体的压电效应
纵
向
力不同
压
电
效
应
x轴方向受力：压力
压电传感器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ+24 VDC
可用2--10mA 恒流管
ICP 内部的放大器并没有说是电压还是电荷。一般对石英晶体 使用电压放大，而对陶瓷使用电荷。祥见ICP网站内容。 Coaxial cable(同轴电缆);coupling capacitor(耦合电容)
PCB传感器
性能指标
技术指标：
灵敏度：500mV/g
量程：10g 频率范围：4－400Hz
重点: 产生的是电荷,因此 它上面的电压与器件的电 容有关,可以按下式计算:
Q U C
不同方向上的效应
++ +++ -- - -Longitudinal Effect
纵向效应
++ +++ -- - --
Transverse Effect
横向效应
++ +++ -- - --
Shear Effect
Usable Range
1 <5%
HP filter
DC
<5%
with LP filter
f
fn
某一压电式加速度计的频率响应。特点：直流响应为0， 然后有一平坦区间，接着有一谐振峰，然后快速下降。
HP filter = High Pass Filter,高通滤波器； LP = Low Pass
对方波的响应
Crystal
Output
Base
Diaphragm 膜；
F
+ + + + + + + + + +
F = MA - - - - - + + = PA + F+ + + + + + - - -- - - + + + + + + + + + +
传感器课件6章压电式传感器
2
压电加速度传感器
用于测量物体加速度、振动和冲击的传感器，常用于汽车、航空航天等行业。
3
压电温度传感器
用于测量物体温度的传感器，常用于工业生产和气象观测等领域。
压电材料与制备工艺
压电材料包括陶瓷、聚合物和复合材料等，制备工艺包括固相反应、溶胶-凝 胶法和压电陶瓷粉体烧结等。
传感器的设计与调试
传感器的设计应考虑灵敏度、线性度和工作温度范围等因素，调试过程中需 要注意信号放大和滤波等技术。
应用领域
1 医疗设备
压电式传感器可用于测量心率、呼吸等生理参数，辅助医疗设备的诊断和治疗。
2 工业自动化
压电式传感器可用于测量压力、温度，用于工业自动化过程的控制和监测。
3 气象观测
压电式传感器可用于测量温度、湿度等气象参数，提供准确的气象数据。
压电式传感器的分类
1
压电压力传感器
用于测量物体受力或压力的传感器，常用于工程测力和材料测试等领域。
市场前景与发展趋势
随着科技的发展和应用领域的不断扩大，压电式传感器在医疗、汽车、智能家居等领域的需求将持续增长。
传感器课件6章压电式传 感器
原理与工作方式
压电式传感器利用压电材料的特性，当施加压力或张力时，产生电荷或电压 的变化，从而实现信号的转换与传输。
特点与优势
高灵敏度
压电式传感器能够以微小的力量变化产生较大的电荷或电压输出。
广泛应用
压电式传感器在声学、压力、加速度等领域有着广泛的应用。
可靠性高
由于压电材料的稳定性和耐久性，压电式传感器具有较高的可靠性。
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Ca
r 0 A
d
式中：A--压电片的面积；
d--压电片的厚度；
εr--压电材料的相对介电常数。
因此，压电传感器可以等效为一个与电容相并联的
电压源。如下图(a)所示，电容器上的电压Ua、电荷量q
和电容量Ca三者关系为：
q
U a Ca
压电传感器也可以等效为一个电荷源。如下图(b)
所示。
压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电 路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc，放大 器的输入电Ri，输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻 Ra，这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路，如 下图所示。
常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT) 及非铅系列压电陶瓷(如BaTiO3等)。
极化处理过程
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部 的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向， 从而存在电场。在无外电场作用时，畴在晶体中杂乱分 布，它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度 为零。原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。
晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图(c)所示， 与图(b)情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x轴的正向出现负电荷。 在y轴方向上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生 的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和 等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电效应。
输入电压和作用力之间相位差为:
2
arctan[(Ca
Hale Waihona Puke CcCi )Ri
]
在理想情况下，传感器的Ra电阻值与前置放大器输
入电阻Ri都为无限大，即ω(Ca+Cc+Ci)Ri>>1，可知，理
想情况下输入电压幅值Uim为：
U im
Ca
dFm Cc Ci
上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关。一
目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅(PZT系列)，它是 钛酸钡(BaTiO3)和锆酸铅(PbZrO3)组成的Pb(ZrTi)O3。它有较高 的压电系数和较高的工作温度。
铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。它由铌镁酸 铅(Pb(Mg·Nb)O3)、锆酸铅(PbZrO3)和钛酸铅(PbTiO3)按不同比 例配成的不同性能的压电陶瓷。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。
极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化， 当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电 畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂 直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因 受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变 为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的 大小与外力成正比关系：
Ca
Ua
Ra Cc Ri Ci
q
Ce Ra Cc Ri Ci
(a)
(b)
二、压电式传感器的测量电路
压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小， 因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置 放大器，其作用为：
1、把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； 2、放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷 信号，因此前置放大器也有两种形式： 1、电压放大器； 2、电荷放大器。
压电陶瓷外形
无铅压电陶瓷及其换能器外形
3、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。
C
P2 ＋o
P3 ＋
－ B －－ －－
(c)
Fy D
(a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
因为P=QL，Q为电荷量，L为正负电荷之间距离。
晶体不受力作用时，正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和 等于零，即P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。
晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩 变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图(b)所示，此时正负 电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由于P1的减小和P2、 P3的增加而不等于零，即(P1+P2+P3)>0。在x轴的正方向出现正电 荷。电偶极矩在y方向上的分量仍为零，不出现电荷。
1、石英晶体
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。下图为天然结构的 石英晶体外形。它是一个正六面体，石英晶体各个方向的特性是 不同的。其中：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，垂直的六面体棱面的轴y 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”；而把沿机械轴y方向的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。
q = d33·F
式中：d33--压电陶瓷的压电系数； F --作用力。
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。极化处理后的压电陶瓷材 料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化。
最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡(BaTiO3)。它是由碳酸钡 和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石 英的50倍。但使用温度较低。最高只有70℃。温度稳定性和机械 强度都不如石英。
压电晶体、极化处理后压电陶瓷、高分子压电材料。
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 压电输出的灵敏度。
2、弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和 动态特性。
3、介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数 有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。
1、电压放大器（阻抗变换器）
下图(a)、(b)是电压放大器电路原理图及其等效电 路。
Ca
Ca
A
ua
Re
Ce Ri
Ci
uo
ua
R
C ui
(a)
(b)
在图(b)中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri)，电容C=Ca+Cc+Ci， 而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力F=Fmsinωt的作用，则
其电压为：
ua
般认为ω/ω0>3时。就可以认为Uim与ω无关。ω0表示 测量电路时间常数之倒数。
0
(Ca
1 Cc
Ci
)R
这表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作 用于压电元件力为静态力（ω=0）时，则前置放大器的 输入电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力 测量。
dFm Ca
sin wt
Um
sin wt
式中：Um--压电元件输出电压幅值Um=dFm/Ca； d --压电系数。
由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为：
Ui
df
1
jwR jwR (Ci
Ca )
Ui
的幅值为
U im
Uim
dFmR 1 2R2(Ca Cc Ci )
a b
Fy
式中：d12为y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称 性，有d12=-d11；a、b --晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关，下图 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在 垂直于z轴的x-y平面上的投影，等效为一个正六边形排 列。图中“＋”代表Si4+离子， “－”代表氧离子O2-。
逆压电效应：当在某些电介质极化方向施加(交变) 电场，这些电介质也会产生机械变形的现象；当去掉外 加电场时，电介质的变形随之消失的现象。常称(电致 伸缩效应)。[电能→机械能]
具有压电效应的材料称为压
电材料，压电材料能实现机械能
←→电能的相互转换，如右图所示。
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：
Cr
－A
q
Ca Ce Ci
uo
图中A为运算放大器增益。由于运算放大器输入阻
抗极高, 放大器输入端几乎没有分流, 其输出电压Uo
为：
q
U0 UCf
Cf
式中：Uo--放大器输出电压；
UCf--反馈电容两端电压。
由运算放大器基本特性，可求出电荷放大器的输 出电压：
U0
Ca
Cc
Aq Ci
高分子压电薄膜及拉制
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
压电式脚踏报警器
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
高分子压电薄膜制作的压电喇叭 （逆压电效应）
第二节 压电传感器的测量转换电路
一、压电式传感器的等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看 作一个电荷发生器，也相当于一个电容器。晶体上聚集 正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间物质 等效于一种介质，则其电容量为：
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（a）所示。
x
＋
－
P1 －
o
y
＋ P2 P3 ＋
－
(a)