传感器与物联网技术课件第6章压电传感器

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压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料， 由无数细微的单晶组成。每个单晶粒形成一 个自发极化方向一致的小区域即电畴。刚烧 结好的压电陶瓷内的电畴是无规则排列，极 化方向杂乱无章，其总极化强度为0，此时 受力则无压电效应。
（a）未极化的陶瓷 (b)正在极化的陶瓷 （c）极化后的陶 瓷
图6-4 压电陶瓷的极化过程
数（d＝（200～500）10－12 C/N）和居
里点（500 ℃左右），是目前常采用的一种 压电材料。
2）非铅系列压电陶瓷
非铅系列压电陶瓷可减少铅对环境的污染。 它们的各项性能均已超过含铅系列压电陶瓷， 是今后压电陶瓷的发展方向。
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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。其中以PVF2的 压电系数最高。
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。
➢压电材料 ➢压电晶体 ➢压电陶瓷 ➢高分子压电材料
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天然形成的石英晶体外形
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（a）晶体外形 （b）晶块 图6-2 石英晶体
是指当在电介质的极化方向施 加电场，这些电介质就会在一 定方向上产生机械变形或机械 压力，当施加的电场撤去时， 这些机械变形或机械压力也随 之消失的现象。（电致伸缩效 应）。 音乐贺卡
➢ 由于外力的作用，在压电元件上产生的电荷只 有在无泄漏的情况下才能完好地保存，即需要 测量转换电路具有无穷大的输入阻抗，这实际 上是不可能的，所以压电式传感器不能用于静 态力的测量。
一、教学目标 1、知识目标
（1）了解不同压电材料的结构和特点。
（2）掌握压电式传感器的工作原理及测量转换电 路。
（3）熟悉压电式传感器在工程上的应用。
二、教学重点和难点
1、重点：压电式传感器的工作原理和应用。 2、难点：压电式传感器的测量电路。
三、教学学时
4学时
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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。
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压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，是一种能 够将机械能转换为电能的陶瓷材料。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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➢ 压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补 充，可以供给测量转换电路一定的电流，因此， 压电式传感器只适用于动态测量。
➢ 在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力 F x时，在x面上产生的电荷为
Q=d11 Fx
（5-1）
式中，d11为x轴方向受力的压电系数（C/N）； F x为x轴方向的作用力（N）。
➢ 石英的晶体结构为六方晶体系，化学式为SiO2。
定义：
◦ x：两平行柱面内夹角等分 线，垂直此轴压电效应最强。 称为电轴。
◦ y ：垂直于平行柱面，在电 场作用下变形最大，称为机 械轴。
◦ z ：无压电效应，中心轴， 也称光轴。
当石英晶体不受外力作用时，硅离子和氧离子刚
好在正六边形的六个顶角上，也就是说正负电荷 是互相平衡的，所以外部没有带电现象，见图63（a）；当石英晶体在x轴方向受力时，晶体的 极面A上呈现负电荷，晶体的极面B上呈现正电 荷，见图6-3(b)；当石英晶体在y轴方向受力时， 晶体的极面A上呈现正电荷，晶体的极面B上呈 现负电荷，见图6-3（c）。
若让原始的压电陶瓷材料具压电特性，需在一定温度 下对它进行极化处理。将这些材料置于外电场作用下， 使其中的电畴发生转动，趋向于其本身自发的极化方 向与外电场方向一致。极化处理过的压电陶瓷具有良 好的压电特性。
压电晶体与压电陶瓷的比较：
相同点：都是具有压电效应的压电材料。
不同点：
石英的优点是它的介电和压电常数的温度 稳定性好，适合做工作温度范围很宽的传感 器。
极化后的压电陶瓷的压电系数是石英的几 十倍甚至几百倍，但稳定性不如石英好，居 里点也低。
19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的 一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性 就会消失。后来，人们把这个温度叫居里点
1）锆钛酸铅系列压电陶瓷
锆钛酸铅系列压电陶瓷PZT有较高的压电系
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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。
压电效应具有可逆性，它分为正压电效应和 逆压电效应。
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高分子压电材料具有以下特点：
（1）高分子压电材料是柔软的压电材料，可根据需要 制成薄膜或电缆套管等形状，经过极化处理后就会出现 压电效应。
（2）高分子压电材料不易破碎，且具有防水性，可以 大量连续的拉升，制成较大面积或较长尺度的形状，因 此，价格便宜。
（3）高分子压电材料的声阻抗约为0.02 Pa· s/m3，与 空气的声阻抗有较好的匹配，可以制成特大口径的壁挂 式低音扬声器。
• 正压电效应 是指某些电介质，当沿着一定方向对其施加 压力而使其变形时，它的内部就会产生极化 的现象，同时在它的两个表面上会产生极性 相反的电荷，当施加的压力去掉后，它又重 新恢复不带电的状态；当压力的作用方向改 变时，它内部的极性也随着改变。（顺压电 效应） 打火机
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• 逆压电效应
石英晶体在20～200 ℃内压电系数 的变化率小，因而其性能非常稳定， 不足之处在于压电系数较小
（d=2.31×10－12 C/N）。
因此，石英晶体一般只在标准传感 器、高精度传感器或使用温度较高 的传感器中使用。
石英晶体薄片
双面镀银并封装
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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。