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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
第 8 章 压电式传感器PPT课件
31.10.2020
26
压电元件组成压电传感器的连接方式
第8章 压电传感器
＋＋ ＋＋
＋ ＋ ＋＋ ＋
－
＋
＋＋ ＋＋ (a)
－ －－ － －
(b)
(a) 相同极性端粘结
(b)
（电学并联）
(b) 不同极性端粘结 （机械串联、电学串联）
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第8章 压电传感器
• 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场合。
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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）
31.10.2020
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压电陶瓷的正压电效应：
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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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。
• 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；
压电式传感器ppt课件-精品文档
当作用力Fz、Fy或Fx反向时，电荷的极性也反向。
压电陶瓷在受到如图5-12（c）所示的作用力Fx、Fy、
Fz共同作用时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现
正、负电荷。
+ +
z Fz
z
+ +
z Fz Fy y Fy x
+ + + +
- -
y
Fy x
- - - + +
- -
-
x
Fz
-
Fx
+
+
Fx
Fz
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
Q d F x 11 x
( 5 . 3 . 1 )
d11——压电系数（C/N）
图5.3.1石英晶体切片示意图
若作用力是沿着机械轴方向，电荷仍在与 X轴垂直的平面
a a Q d F d F x 12 y 11 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 d F ( 5 . 3 . 3 ) 33
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
常见压电陶瓷 ： （1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如 石英。 （2）锆钛酸铅Pb（Zr· Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 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。
压电式传感器ppt课件
ppt精选版
1
第5章 压电式传感器
5.1 压电式传感器的工作原理
一、压电效应 二、压电材料 三、石英晶体的压电机理 四、压电陶瓷的压电机理
ppt精选版
2
第5章 压电式传感器
一、压电效应
当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种 材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到 不带电状态，这种现象被称为压电效应。
所以石英是理想的压电传感器的压电材料。
天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和 制作标准传感器。
② 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。
例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O6）等， 还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷酸二氢氨（NH 4H2PO4）等等。
第5章 压电式传感器
第5章 压电式传感器
压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，当 材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
5.1 压电式传感器的工作原理 5.2 压电材料的主要特性 5.3 压电元件常用的结构形式 5.4 压电式传感器的信号调理电路 5.5 压电式传感器的应用
（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼 龙11等。
这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲 击，体电阻达162Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水 和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大 面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。
压电陶瓷元件
压电式传感器.完美版PPT
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
（一）石英晶体的压电效应
天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体
学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z 称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X 轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴
（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。
通常把沿电轴X－X方向
P3
-
－ －
+－
X
在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。
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轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0 时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图 （c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力 FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向 则不产生压电效应。
电极
＋＋＋＋ q ――――
q Ca
时，则两极板呈现一定 压电晶体
的电压，其大小为
U
a
q Ca
(a)
(b)Biblioteka 压电传感器的等效电路因此，压电传感器可等 效 为 电 压 源 Ua 和 一 个 电 容 器 Ca 的 串 联 电 路 ， 如 图 (a) ； 也 可 等 效 为 一 个 电荷源q和一个电容器Ca 的并联电路，如图(b)。
Ca Ua Ua＝q/ Ca
q Ca q ＝UaCa
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时， 压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否 则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标 定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实 上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能 无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电 荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。
压电式传感器 ppt课件
• 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特性不稳定，而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 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xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 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6.1.3（a）所示。
ppt课件
11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
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6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 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xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 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6.1.3（a）所示。
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6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
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6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
压电式传感器 医用传感器教学课件.ppt
1
R
jC
Ui
dFm
1
jR jR(Cs Cc
sint
Ci )
Ui
dFm
1
jR jR(Cs Cc
sint
Ci )
Ui的幅值Uim为
Uim
d Fm R 1 2 R2 (Cs Cc Ci )2
输入电压与作用力之间的相位差为
2
arctan(Cs
d U im Ci Cc Ca F
电压灵敏度
Ku
U im F
Ci
d Cc Ca
由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，当 改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变， 从而引起放大器的输出电压也发生变化。在设计时，通常 把电缆长度定为一常数，使用时如要改变电缆长度，则必 须重新校正电压灵敏度值。
Cc
Ci )R
Ui
dFm
1
jR jR(Cs Cc
sint
Ci )
当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置 放大器的输出电压等于零， 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 器不能用于静态力的测量。
当 R(Ca Cc Ci ) >>1时，放大器的输入电压为
直流电桥 剩 余 极 化
伸长 剩余伸长
a)极化前
b)极化
c)极化后
由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0
，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
R
jC
Ui
dFm
1
jR jR(Cs Cc
sint
Ci )
Ui
dFm
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jR jR(Cs Cc
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Ci )
Ui的幅值Uim为
Uim
d Fm R 1 2 R2 (Cs Cc Ci )2
输入电压与作用力之间的相位差为
2
arctan(Cs
d U im Ci Cc Ca F
电压灵敏度
Ku
U im F
Ci
d Cc Ca
由上式可以看出放大器输入电压幅度与被测频率无关，当 改变连接传感器与前置放大器的电缆长度时，Cc将改变， 从而引起放大器的输出电压也发生变化。在设计时，通常 把电缆长度定为一常数，使用时如要改变电缆长度，则必 须重新校正电压灵敏度值。
Cc
Ci )R
Ui
dFm
1
jR jR(Cs Cc
sint
Ci )
当作用于压电元件的力为静态力（ω=0）时， 前置 放大器的输出电压等于零， 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 器不能用于静态力的测量。
当 R(Ca Cc Ci ) >>1时，放大器的输入电压为
直流电桥 剩 余 极 化
伸长 剩余伸长
a)极化前
b)极化
c)极化后
由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0
，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
第9章 压电式传感器ppt课件
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。
ppt精选版
23
压电式传感器
2. 压电陶瓷
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
方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持
重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)
方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。
ppt精选版
17
压电式传感器
z
作用力与电荷的关系
O
y
若从晶体上沿y方向切下一块如
x
图(a)所示的晶片，当沿电轴x方向施
（a）
加应力σx 时，晶片的厚度将产生变形，
⑤ 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷
ppt精选版
（或电场强度）之间皆呈线性关系。
21
压电式传感器
石英晶体的主要特点
1. 压电常数小，时间和温度稳定性好，常温下几乎不变，
在20℃～200 ℃范围内，温度变化仅为-0.016%/ ℃；
2. 机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.8～9.8）
ppt精选版
26
压电式传感器
压电陶瓷的主要特点
1. 压电常数大，灵敏度高；
2. 制造工艺成熟，可通过合理配合和掺杂等人工控制来达
到所需要的性能；
3. 成型工艺好，成本低廉，应用广泛。
4. 与石英晶体相比较，其稳定性不如石英好，居里点也低。
ppt精选版
27
压电式传感器
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。
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23
压电式传感器
2. 压电陶瓷
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
方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持
重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)
方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。
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压电式传感器
z
作用力与电荷的关系
O
y
若从晶体上沿y方向切下一块如
x
图(a)所示的晶片，当沿电轴x方向施
（a）
加应力σx 时，晶片的厚度将产生变形，
⑤ 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷
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（或电场强度）之间皆呈线性关系。
21
压电式传感器
石英晶体的主要特点
1. 压电常数小，时间和温度稳定性好，常温下几乎不变，
在20℃～200 ℃范围内，温度变化仅为-0.016%/ ℃；
2. 机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.8～9.8）
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压电式传感器
压电陶瓷的主要特点
1. 压电常数大，灵敏度高；
2. 制造工艺成熟，可通过合理配合和掺杂等人工控制来达
到所需要的性能；
3. 成型工艺好，成本低廉，应用广泛。
4. 与石英晶体相比较，其稳定性不如石英好，居里点也低。
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压电式传感器
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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：
转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、 固有频率高、动态特性好、工作温度高达 550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿 度高达100%、稳定性好。
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9
2. 压电陶瓷的压电效应
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
压电陶瓷的极化
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10
陶瓷片极化
压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长
放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
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12
Q —— 电荷量；
d33 —— 压电陶瓷的压电系数； F —— 作用力。
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15
1. 压电元件的等效电路
Ca
s
h
r0s
h
U Q Ca
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16
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
长 的 时 间 隧 道，袅
医学生物课件压电式传感器
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2
5.3.1 压电式传感器的工作原理
电势型传感器 以压电效应为基础 压电效应可逆 “双向传感器”
正压电效应
某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而 发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力 去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种 现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电 荷)
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7
石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。
（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。
（c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷
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13
常见压电陶瓷 ：
（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。
（2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 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）
自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等， 它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用， 因此陶瓷片对外不表现极性。
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11
压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力， 陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的 自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。 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。
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
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14
5.3.2 等效电路及信号变换电路
1. 压电元件的等效电路 2. 压电式传感器的信号调节电路
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3
逆压电效应
在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压， 那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方 向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为 “电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。 (施加电场 电介质产生变形 应力 ) 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。