第六章压电式传感器

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。
特点： 1. 体积小、质量轻、频响高、信噪比大等； 2. 结构坚固、可靠性、稳定性高（没有运动部件）。
近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速 发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
第六章压电式传感器
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用， 从而产生稳定的振荡输 出频率。 第六章压电式传感器
第一节 压电传感器的工作原理
二 压电材料及压电元件的结构 ➢ 压电材料
2.水溶性压电晶体 这类压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H20)、硫酸锂 (Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。水溶性压电晶体具有较高 的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低，只适 用于室温和湿度低的环境下。 3.铌酸锂晶体
第6章 压电式传感器
本章的主要内容有: 1.压电式传感器的结构、原理； 2.压电式传感器的测量电路； 3.压电式传感器的典型应用；
通过学习应掌握压电式传感器的性能特点及其基本 应用方法。
第六章压电式传感器
第一节 压电传感器的工作原理
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，电介质表面产生电 荷，从而实现非电量电测的目的。
沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电wenku.baidu.com，下 左图，其电荷量q与作用力F成正比，即：q= dzzF 下右图,电荷量q为：
qdZYF
z
z
+++
y
---
y
+++
x ---
---
x 第六章压电式传感器 + + +
第一节 压电传感器的工作原理
二 压电材料及压电元件的结构 ➢ 压电材料
压电材料一般应考虑以下主要特性： 1) 具有较大的压电常数。 2) 压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频 率。 3) 具有高的电阻率和较大的介电常数。 4) 具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工作温度范 围。 5) 压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。
第六章压电式传感器
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。
第六章压电式传感器
第一节 压电传感器的工作原理
一 压电效应
➢ 石英晶体的压电效应
纵向压电效应产生的电荷为：
qxx＝dxxFx
第六章压电式传感器
第一节 压电传感器的工作原理
二 压电材料及压电元件的结构 ➢ 压电材料(10.21)
1.石英晶体 石英晶体有天然和人工培养两种类型。 两种类型的物理+化学性质几乎无多大区别，因此目前广泛应 用成本较低的人造石英晶体。 特点： • 在几百摄氏度的温度范围内，压电系数不随温度而变化。 • 居里点为573℃，即到573℃时，它将完全丧失压电性质。 • 很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应； • 灵敏度很低，介电常数小。 因此逐渐被其他压电材料第所六章代压电替式传。感器
第六章压电式传感器
第一节 压电传感器的工作原理
一 压电效应 某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极
化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当 外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变 时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。
具有压电效应的物质很多， 如:石英晶体、
压电陶瓷、 压电半导体等。
第六章压电式传感器
第一节 压电传感器的工作原理
一 压电效应 ➢ 石英晶体的压电效应
石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它 是二氧化硅单晶，属于六角晶系。
规则的六角棱柱体。
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第一节 压电传感器的工作原理
一 压电效应 ➢ 石英晶体的压电效应 石英晶体的三个晶轴：
压电陶瓷在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理， 即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在 极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化， 如下图所示。
直流电桥 剩 余 极 化
第六章压电式传感器
伸长 剩余伸长
第一节 压电传感器的工作原理
一 压电效应
➢ 压电陶瓷的压电效应 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在
横向压电效应产生的电荷为：
qXY
dXY
a b
FY
根据石英晶体的对称条件dXY=-dXX，所以
a qXYdXXbFY
由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的
电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电
荷与沿X轴施加压力所产生的第六电章压荷电式极传感性器 是相反的。
第一节 压电传感器的工作原理
一 压电效应 ➢ 石英晶体的压电效应
石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子， 正负离子分布在正六边形的顶角上，如下图所示。当作用力为零 时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象,而受力后破坏 了平衡,就带电了。
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第一节 压电传感器的工作原理
一 压电效应 ➢ 压电陶瓷的压电效应
Z轴又称光轴，与晶体的纵轴线方向一致； X轴又称电轴，通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴； Y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。
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第一节 压电传感器的工作原理
一 压电效应 ➢ 石英晶体的压电效应
从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体 切片。 ① 当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面 上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。 ② 沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表 面上，这称之为横向压电效应。 ③ 当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。
铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250℃，居里点为1210℃。 它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛 的前途。
第六章压电式传感器
第一节 压电传感器的工作原理
二 压电材料及压电元件的结构 ➢ 压电材料
4.压电陶瓷 这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、 耐湿、耐高温、易于成形等特点。