传感器与物联网技术课件第6章压电传感器
合集下载
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
《传感器技术》教学课件第6章
19
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 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。
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。
15
上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效
应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
6
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 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。
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。
15
上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效
应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
6
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
传感器技术-第6讲-压电磁敏传感器PPT
2．霍尔元件基本结构
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图3 霍尔元件
3．霍尔元件基本特性
（1）输入电阻和输出电阻
霍尔元件激励电极之间电阻为输入电 阻，霍尔电极输出电势对于电路外部来说 相当于一个电压源，其电源内阻即为输出 电阻。
（c）
P
i
H-
N 电流
图8 磁敏二极管的工作原理示意图
结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生 正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场 作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区 之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管 的灵敏度就越高。
磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流 过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因 而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有 任何改变。
6.1.3 压电式传感器的应用
1 压电式测力传感器
组成：
主要由石英晶片、绝缘套、电极、上 盖和基座等组成。
2、原理
传感器的上盖为传力元件，当受到外 力作用时，它将产生弹性形变，将力传递 到石英晶片上，利用石英晶片的压电效应 实现力—电转换。绝缘套用于绝缘和定位。
它的测力范围是0～50N，最小分辨率 为0.01N，绝缘阻抗为 2 1014 ，固有频 率为50～60kHz。非线性误差小于±1%。 整个该传感器重为10g，可用于机床动态 切削力的测量。
ΔU/V
2.0
1.6 1.2
3．霍尔式接近开关
利用霍尔效应可以制成开关型传感器。 广泛应用于测转速、制作接近开关等。霍 尔式接近开关主要由霍尔元件、放大电路、 整形电路、输出驱动及稳压电路5部分组成。
由工作特性曲线可见，工作时具有一定的 磁滞特性，可以使开关更可靠工作。图中
传感器原理与应用压电传感器ppt课件
压电元件在承受沿敏感轴方向的外力作用时，将产生电荷，因此它相当 于一个电荷源。当压电元件表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为
介质的电容器，两电极板间的电容Ca为
Ca
r0 A
式中
A——压电元件电极面积；
——压电元件厚度； r——压电材料的相对介电常数； 0——真空介电常数。
压电元件的等效电路
第一节 压电传感器的概述
压电式传感器的特点：
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。
压电效应
压力时的情况相同
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在x面上。 光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离， 所以不会产生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电
荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电 容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。
现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属 于Q/U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。
第三节 压电传感器的测量转换电路
压电元件的极间电容
无铅压电陶瓷
锆钛酸钡钙的压电系数达到600pC/N，压电性 能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境 有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250pC/N）。无 铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。
介质的电容器，两电极板间的电容Ca为
Ca
r0 A
式中
A——压电元件电极面积；
——压电元件厚度； r——压电材料的相对介电常数； 0——真空介电常数。
压电元件的等效电路
第一节 压电传感器的概述
压电式传感器的特点：
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。
压电效应
压力时的情况相同
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电荷只产生在x面上。 光轴（z轴）方向受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离， 所以不会产生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电
荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
由于压电传感器的输出电压与压电片的极间电容Ca以及传输线的对地分布电 容Cc有关，如果接入普通的电压放大电路，将受到很多外界因素的影响。
现在多采用“电荷放大器”来将压电传感器输出的电荷转换为电压，属 于Q/U转换器，但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。
第三节 压电传感器的测量转换电路
压电元件的极间电容
无铅压电陶瓷
锆钛酸钡钙的压电系数达到600pC/N，压电性 能已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境 有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（250pC/N）。无 铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。
传感器技术-第6讲-压电磁敏传感器PPT课件
当于电容器的两个极板，板间的物质相当 于一种介质。
在实际使用中，压电式传感器总是与
测量仪器或测量电路相连接，压电传感器 在测量系统中的实际等效电路如下图所示。
图1 压电传感器的实际等效电路
2、 测量电路
电荷放大器
Ci为传感器、连接电缆、放大器的输 入等效电容合并的电容，Cf为放大器的反 馈电容，Rf的作用是稳定直流工作点，减 小零点漂移，一般取Rf≥10。
由于放大器的输入阻抗很高，其输入 端几乎没有分流，输出电压为
Uo
Q Cf
Ucf
上式表明：
（1）放大器的输出电压接近于反馈电容 两端的电压。电荷Q只对反馈电容充电。
（2）电荷放大器的输出电压与电缆电容 无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的 突出优点。由于Q与被测压力成线性关系， 所以，输出电压也与被测压力成线性关系。
F ma
传感器输出的电荷与作用力成正比， 即
Q d11Fd11m a
3 压电式金属加工切削力测量
利用压电陶瓷传感器进行测量刀具切 削力的示意图适合测量变化剧烈的载荷。 图中压电陶瓷传感器位于车刀前部的下方， 当进行切削加工时，切削力通过刀具传给 压电传感器，压电传感器将切削力转换为 电信号输出，记录下电信号的变化便测得 切削力的变化。
压电陶瓷材料有多种，最早的是钛酸 钡（BaTiO3），现在最常用的是锆钛酸铅 （PbZrO3-PbTiO3），简称PZT等。
6.1.2 压电式传感器及测量电路
1、 压电式传感器
压电传感器中的压电元件无论是石英 晶体还是压电陶瓷，它的内阻都很高，而 输出的信号很微弱。其元件可等效为一个
电容器Ca，正、负电荷积聚的两个表面相
荷的极性相反。
5、 压电陶瓷（多晶体）
在实际使用中，压电式传感器总是与
测量仪器或测量电路相连接，压电传感器 在测量系统中的实际等效电路如下图所示。
图1 压电传感器的实际等效电路
2、 测量电路
电荷放大器
Ci为传感器、连接电缆、放大器的输 入等效电容合并的电容，Cf为放大器的反 馈电容，Rf的作用是稳定直流工作点，减 小零点漂移，一般取Rf≥10。
由于放大器的输入阻抗很高，其输入 端几乎没有分流，输出电压为
Uo
Q Cf
Ucf
上式表明：
（1）放大器的输出电压接近于反馈电容 两端的电压。电荷Q只对反馈电容充电。
（2）电荷放大器的输出电压与电缆电容 无关，而与Q成正比，这是电荷放大器的 突出优点。由于Q与被测压力成线性关系， 所以，输出电压也与被测压力成线性关系。
F ma
传感器输出的电荷与作用力成正比， 即
Q d11Fd11m a
3 压电式金属加工切削力测量
利用压电陶瓷传感器进行测量刀具切 削力的示意图适合测量变化剧烈的载荷。 图中压电陶瓷传感器位于车刀前部的下方， 当进行切削加工时，切削力通过刀具传给 压电传感器，压电传感器将切削力转换为 电信号输出，记录下电信号的变化便测得 切削力的变化。
压电陶瓷材料有多种，最早的是钛酸 钡（BaTiO3），现在最常用的是锆钛酸铅 （PbZrO3-PbTiO3），简称PZT等。
6.1.2 压电式传感器及测量电路
1、 压电式传感器
压电传感器中的压电元件无论是石英 晶体还是压电陶瓷，它的内阻都很高，而 输出的信号很微弱。其元件可等效为一个
电容器Ca，正、负电荷积聚的两个表面相
荷的极性相反。
5、 压电陶瓷（多晶体）
传感器电子讲稿第六章_压电式传感器
10 R C a C i C c
6.2.1 压电式传感器的等效电路 电荷放大器
UoCaCi CA cQ 1ACf QCf
6.3 压电式传感器的应用简介 机床动态力测量
6.3 压电式传感器的应用简介 压电式测力传感器
6.3 压电式传感器的应用简介 压电式加速度传感器
6.3 压电式传感器的应用简介 玻璃打碎报警装置
d031 d032 d033 0d34 0d35 0d36
d12d压电陶瓷压电效应的物理解释
Qd33F
6.1.3 压电陶瓷 压电陶瓷特点
➢ 压电系数比石英晶体的大得多 ➢ 剩余极化强度和特性与温度有关 ➢ 性能随时间变化
6.1.4 高分子压电薄膜 压电薄膜
聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟 乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯 （PVC）等
6.1.4 高分子压电薄膜 压电式脚踏报警器
6.1.4 高分子压电薄膜 压电喇叭（逆压电效应）
6.1.4 高分子压电薄膜
压电材料的主要性能指标
➢ 压电常数——衡量压电效应强弱的参数，直接关系到压 电输出的灵敏度
➢ 弹性常数——决定着压电器件的固有频率和动态特性 ➢ 介电常数——影响压电器件的固有电容与频率下限 ➢ 绝缘电阻——影响电荷泄漏和低频特性 ➢ 居里点——压电材料开始丧失压电特性的温度
当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形， 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
6.1.2 石英晶体 形状与轴系
6.1.2 石英晶体 石英晶体压电效应的物理解释
6.1.2 石英晶体 压电常数
q dij
6.1.2 石英晶体
表面电荷
qx d11 x d12y d13z d14x d15 y d16z
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
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
《传感器及其应用》课件第6章
第6章 压电传感器
现今压电传感器的材料大多用压电陶瓷。压电陶瓷的压 电机理与单晶不同，是利用多晶压电陶瓷的电致伸缩效应。 极化后的压电陶瓷可以当作压电晶体来处理。当前常用的压 电陶瓷是锆钛酸铅(PZT)。
另外，铌酸锂和钽酸锂大量用作声表面波(SAW)器件。 此外，氧化锌和氮化铝等压电薄膜已是当今微波器件的关键 材料。
第6章 压电传感器 Y切的晶体作厚度剪切模振动时有正的频率温度系数， 在长度方向上振动时有负的频率温度系数。总的温度系数可 以从－20×10－6/°C到+100×10－6/°C。X切的晶体在厚度 方向上振动时，频率温度系数近似为－20×10－6/°C。可根
可根据温度每变化 1°C振荡频率变化若干Hz的要求与
式中，Cd为晶片的低频电容(自由电容)
所以
第6章 压电传感器
3. 固有共振频率 由上面的灵敏度公式可见，在低频时灵敏度是一常数， 它和压电常数成正比，和质量块的质量成正比。在较高的频 率下该公式不适用，特别到传感器的固有共振频率附近，灵 敏度急剧变化(增大)，该公式一般在传感器固有共振频率的 1/2～1/5以下使用。可以近似地把质量块看成一个纯质量(忽 略其弹性)，晶片看成一纯弹性元件(忽略其质量)来计算传感 器的固有频率。如将晶片看成一弹簧，则由定义可求出其劲 度系数为
图 6.5 一种压电加速度传感器的外形
第6章 压电传感器 表 6.2 一种市售压电加速度传感器的主要技术指标
第6章 压电传感器 6.2.3 压电加速度传感器的等效作 用时，就会在电极上产生电荷，因此，可以把压电式传感器 等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器，等效电路 如图6.6(a)所示。由于电容上的(开路)电压
第6章 压电传感器
6.3 压电谐振式传感器
【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。
《压电传感器》课件
接线与调试
按照说明书的接线图进行 正确接线，并进行必要的 调试和校准，以确保传感 器正常工作。
压电传感器的日常维护
定期检查
定期检查传感器的外观、 连接线和固定情况，确保 传感器无损坏、无松动。
清洁与除尘
定期清洁传感器表面，保 持清洁，避免灰尘和污垢 影响测量精度。
防潮防震
在潮湿和震动环境中使用 时，采取相应的防潮和防 震措施，以保护传感器不 受损坏。
《压电传感器》PPT课件
目 录
• 压电传感器简介 • 压电传感器的类型与结构 • 压电传感器的特性分析 • 压电传感器的使用与维护 • 压电传感器的发展趋势与展望
01
压电传感器简介
压电传感器的工作原理
01
压电传感器是一种利用压电效应 原理制成的传感器。当受到外力 作用时，压电材料会产生电荷， 从而实现对压力的测量。
压电元件
是压电传感器的主要部 分，负责将压力信号转
换为电信号。
信号处理电路
对压电元件输出的电信 号进行处理，包括放大
、滤波、补偿等。
输出接口
将处理后的信号输出到 外部设备，如计算机、
显示器等。
保护壳体
保护传感器免受外界环 境的影响，如温度、湿
度、尘埃等。
压电传感器的材料
压电晶体
如石英、钛酸钡等，具有较高的压电常数和灵敏度。
用于血压、心电等生理参数的 测量，为医疗诊断提供准确数 据。
环境监测
用于气象、地震、水文等领域 的气压、风速、流量等参数的 测量，为环境保护和灾害预警
提供支持。
压电传感器的优缺点
优点
高灵敏度、高精度、低迟滞、抗干扰能力强、稳定性好等。
缺点
易受温度、湿度等环境因素影响，需要定期校准和维护，成 本较高。
第6章压电式传感器PPT学习教案
41 41
第40页/共92页
6.2 压电材料
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（ ZrTi）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 。
34
第33页/共92页
34
6.1 压电效应
35 35
第34页/共92页
6.1 压电效应
➢ 晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面） 作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上 产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：
电荷密度： q d33
d33——压电陶瓷的纵向压电常数， d33 比d11、 d12大的多， 所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高
电能
第8页/共92页
6.1 压电效应
石英晶体的压电效应演示
当力作用在晶片时，在 上下表面产生电荷。
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。
随着作用力的减小，积 累电荷数减少。
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。
10
第9页/共92页
10
6.1 压电效应
根据dij大小可以确定在哪个方向上压电效应最显著第30页共92页3232动画演示动画演示石英晶体压电模型动画演石英晶体压电模型动画演第31页共92页333312压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工合成的经过极化处理后的多晶铁电体烧制后的原始陶瓷分子自发形成的区域有一定的极性存在一定电场在一定温度下施加强直流电场迫使电畴趋向外电场方向做规则排列电场去掉后趋向电畴基本保持不变形成很强的剩余极化呈现出压电特性第32页共92页34346161压电陶瓷与石英晶体不同前者是人工制造的多晶体压电材料而后者是单晶体
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
➢ 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）。
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。
2020/7/7
24
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。
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
➢ 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 xห้องสมุดไป่ตู้，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）。
2020/7/7
25
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。
19
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
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
2020/7/7
2
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。
2020/7/7
3
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。
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
2020/7/7
17
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。
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。
• 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
2020/7/7
5
• 逆压电效应
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。
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
2020/7/7
9
天然形成的石英晶体外形
2020/7/7
10
2020/7/7
11
（a）晶体外形 （b）晶块 图6-2 石英晶体
2020/7/7
18
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）。
2020/7/7
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）。
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。
2020/7/7
24
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。
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
➢ 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 xห้องสมุดไป่ตู้，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）。
2020/7/7
25
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。
19
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
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
2020/7/7
2
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。
2020/7/7
3
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。
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
2020/7/7
17
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。
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。
• 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
2020/7/7
5
• 逆压电效应
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。
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
2020/7/7
9
天然形成的石英晶体外形
2020/7/7
10
2020/7/7
11
（a）晶体外形 （b）晶块 图6-2 石英晶体
2020/7/7
18
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）。
2020/7/7