传感器与检测技术教程压电陶瓷
传感器与检测技术第5章 压电式传感器
5.2.2 压电传感器等效电路
压电传感器的压电元件，在受到外力作用时， 会在一个电极表面聚集正电荷，在另—表面聚 集负电荷，因此压电式传感器可以看成一个电 荷发生器，或者看成—个电容器。若已知压电 片面积为S，压电片厚度为b，压电材料的相对 介电常数为ε，等效电容器的电容值为
压电元件作为压力传感器使用时，有两种等效 电路形式，如图5-6所示。图5-6a为电压源等 效电路，图5-6b是电流源等效电路。从等效电 路（荷R可或L→见电∞。压）只才，有能且在长内外期部电保无路存漏负下电载来时R，L，无如受穷果力大负产载生不的是电无 穷以大指（数（规R律L≠放∞电），，而电这路种将结按果时必间然常带数来RL测Ca量=τ误， 差。
图5-2所示为天然结构的石英晶体外形，5-2a是正六 面体，用 3根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴 Z 称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的 X 轴称为电轴；与 X 轴和 Z 轴同时垂直的Y 轴称为机 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；把沿机械轴Y方向的 力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。
的体压切力片作的用几时何，尺寸Qx与无作关用。力Fx 成正比，而与晶
如果在同一个晶体切片上作用力是沿着机 械轴的方向，其电荷仍在与 X 轴垂直平面 上出现，其极性如图 5-3 c所示，此时电荷 的大小为
式中 ，l 和 h 分别为晶体切片的长度和厚度；d12为 石英晶体 Y 轴方向上受力的压电系数。
2）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）
锆钛酸铅压电陶瓷是钛酸铅和锆酸铅材料组成的固 熔体。它有较高的压电常数（d 11 =（200~500） ×10-12C/ N）和居里点（300℃以上），工作温度 可达250 ℃ ，是目前经常采用的一种压电材料。
传感器原理与检测技术(第六章)
2、伏安特性
磁敏二极管的正向偏压和电流的关系称为磁敏二极 管的伏安特性。它在不同磁场作用下的伏安特性曲线 不同。
3、温度特性
磁敏二极管的输出电压和电流受温度影响较大， 实际使用时必须对它进行温度补偿。常用的温度补偿 电路有互补式、差分式、全桥式和热敏电阻四种。
四、磁敏二极管的应用
1. 磁场测量 2. 无触点开关 3. 无触点电位器
第四节 磁敏三极管
磁敏三极管是PN结型的磁电转换 元件，它具有灵敏度高、输出信号大， 工作电流小、体积小等特点，适合于 磁场、转速、探伤等方面的检测和控 制。
一、磁敏三极管的结构
在磁场中当温度恒定时，磁阻与磁感应强度B的平 方成正比。如果器件只是电子参与导电的简单情况，理 论推导出来的磁阻效应方程为：
式中ρB为磁感应强度为B时的电阻率；ρ0为零磁场 下的电阻率；μ为电子迁移率；B为磁感应强度。
当电阻率变化为
时，则电阻率的相对
变化为
可见，磁场一定，迁移率越高的材料，如：lnSb （锑化铟）、InAs（砷化铟）和NiSb（锑化镍）等半 导体材料，其磁阻效应越明显 。
5．压电半导体
有些晶体既具有半导体特性又同时具 有压电性能，如ZnS，CaS，GaAs等。因此 既可利用它的压电特性研制传感器，又可 利用半导体特性以微电子技术制成电子器 件。两者结合起来，就出现了集转换元件 和电子线路为一体的新型传感器，它的应 用前途非常远大。
6．高分子压电材料
某些合成高分子聚合物薄膜经延展拉伸和 电场极化后，具有一定的压电性能。目前 这类压电薄膜有聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟
二、磁敏二极管的工作原理
未受外界磁场作用的磁敏二极管外加正偏压时(图a)所示) 有大量空穴从P区通过Ⅰ区进人N区，同时有大量电子流入P区， 形成电流。只有少量电子和空穴在Ⅰ区复合掉。
传感器与检测技术-教案-项目05 压电式传感器的应用
《传感器与检测技术》教案项目五压电式传感器的应用一、教学目标1.了解压电效应。
2.了解压电传感器的所用的压电材料。
3.掌握压电传感器的工作原理。
4.掌握压电传感器测量振动的方法。
二、课时分配本项目共1个任务，本项目安排2课时。
其中理论课时2课时，实践课时2课时。
三、教学重点通过本项目的学习，让学生能识别压电传感器能根据任务要求，正确安装压电传感器，正确完成压电传感器测量振动的电路接线，并且正确测量振动参数并且读数正确。
四、教学难点1.掌握压电传感器的工作原理。
2.掌握压电传感器测量振动的方法。
五、教学内容任务一压电传感器在振动测量中的应用知识链接一、压电效应当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。
能产生压电效应的电解质被称为压电材料或者压电元件，依据压电效应研制的一类传感器称为压电传感器。
原理图如图所示。
压电效应原理图在晶体的弹性限度内，压电材料受力后，产生的电荷Q和所施的力F之间的关系是：Q=dF式中：d—压电材料的压电系数。
正压电效应的应用正压电效应的应用利用逆压电效应原理工作的设备也很多，比如在玩具小狗的肚子中安装压电陶瓷制作的蜂鸣器，玩具就会在被按压时发出逼真有趣的蜂鸣声，如果将高频电信号加在压电元件上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号，利用该原理可以制造麦克风、立体声耳机和高频扬声器等，还应用于制造超声波探头。
逆压电效应的应用二、压电材料1.石英晶体压电晶体一般指压电单晶体，如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。
水晶（）是一种有名的压电晶体，它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图所示。
石英晶体它是二氧化硅的单晶体。
石英等压电单晶压电系数很小（），介电常数很低，但稳定性很高，在20℃～200℃的范围内压电常数的变化率只有-0.000 1/℃，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。
压电陶瓷材料应变测试方法
压电陶瓷材料应变测试方法引言：压电陶瓷材料是一类具有压电效应的特殊材料，其在受到外力作用时能够产生电荷分离现象，从而产生应变。
为了准确测量压电陶瓷材料的应变，科学家们开发了多种测试方法。
本文将介绍几种常用的压电陶瓷材料应变测试方法。
一、电容法电容法是一种常用的测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法利用压电陶瓷材料在受到外力作用时产生的应变改变其电容值的特性。
具体操作时，将压电陶瓷材料制成电容器的一部分，通过测量电容器的电容值的变化来间接测量应变的大小。
这种方法简单易行，且测量结果较为准确。
二、光栅法光栅法是一种基于光学原理的压电陶瓷材料应变测试方法。
该方法利用光栅的干涉效应来测量压电陶瓷材料的应变。
具体操作时，将光栅固定在压电陶瓷材料表面，当材料受到外力作用时，会引起光栅的形变，从而改变光栅的干涉条纹。
通过测量干涉条纹的变化来确定应变的大小。
光栅法具有高精度和非接触性的特点，适用于对压电陶瓷材料应变进行精确测量的场合。
三、应变片法应变片法是一种常用的直接测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法利用应变片的特性来测量材料的应变。
具体操作时，将应变片粘贴在压电陶瓷材料的表面，当材料受到外力作用时，应变片会发生形变，通过测量应变片上的应变值来确定压电陶瓷材料的应变大小。
应变片法操作简单，测量结果较为准确，广泛应用于工程实践中。
四、声发射法声发射法是一种利用声波传播特性来测量压电陶瓷材料应变的方法。
该方法通过监测材料在受到外力作用时产生的声波信号来间接测量应变的大小。
具体操作时，将传感器放置在压电陶瓷材料附近，当材料受到外力作用时，会产生应变，从而引起声波信号的发射。
通过分析声波信号的特征来确定应变的大小。
声发射法具有非接触性和实时性的特点，适用于对压电陶瓷材料应变进行在线监测的场合。
结论：压电陶瓷材料应变测试方法多种多样，每种方法都有其适用的场合和特点。
在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的测试方法。
电容法、光栅法、应变片法和声发射法是常用的几种方法，它们在测量精度、操作简便性和适用范围等方面各有优劣。
传感器与检测技术教案NO6
图6-1 工业用铂热电阻体的结构图6-2 铜热电阻体结构图6-5 热电偶回路常用的热电偶由两根不同的导线组成，它们的一端焊接在一起，为工作端，测温时将它置于温度场中；不连接的两个称为自由端（或称为冷端）T0的导线相连接。
当热端与冷端有温差时检测仪表便能测出被测温度。
根据金属的热电效应，任意两种不同的金属导体都可以作为热电偶回路的电极，但在实10306。
6-6 热电偶的结构图6-7 普通热电偶安装形式）铠装热电偶铠装热电偶又称为缆式热电偶，是由热电极、绝缘材料（通常为电熔氧化镁）和金属保护管三者经拉伸结合而成的。
铠装热电偶有单支（双芯）和双支（四芯）之分，其检测端有碰底型、不碰底型、露头型和帽型等几种形式，如图6-8所示。
图6-8 铠装热电偶检测端的结构形式薄膜热电偶是用真空蒸镀的方法，把两种热电极材料分别沉积在绝缘基片上形成的一种快速感温元件。
采用蒸镀工艺，热电偶可以做得很薄，图6-9薄膜热电偶结构尺寸可做得很小。
它的特点是热容量小，响应速度快，特别适用于检测瞬变的表面温度和微小面积上的温图6-9 薄膜热电偶结构热电偶冷端的温度补偿将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温器内，使冷端温度保持图6-11 热释电红外传感器的结构及内部电路3.量子型红外传感器PbS 红外光敏元件的结构如图6-12所示。
其主要是由PbS 光敏元件、电极、玻璃基极、引脚等组成。
先在玻璃基极上制成金电极，然后蒸镀PbS薄膜，再引出电极线。
为了防止光敏元件被氧化，将PbS 光敏元件封入真空容器中，并用玻璃或蓝宝石做光窗口。
当光照射PbS 光敏元件上时，电极两端产生光生电动势，此电动势的大小与光照强度成比例。
6-12 PbS 红外光敏元件的结构6-13 所示。
其由光学系统、调制器、红外传感器、放大器、显示器等部分组成。
光学系统是采用透射式的，是根据红外波长的范围而选择的光学材料制成的。
调制器是由调制盘、微电机等组成。
图6-13 红外测温仪的结构原理通过红外测温仪，可以知道物体表面的平均温度，但要了解物体的温度分部情况，探测物体内部的结构等情况，就需要把物体的温度分布以图像的形式直观地显示出来，即红外成像。
《传感器与智能检测技术》 第4章习题答案
第4章压电式传感器一、填空题1.压电元件一般有三类：第一类是石英晶体；第二类是压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。
2.压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。
3.将超声波（机械振动波）转换成电信号是利用压电材料的压电效应；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逆压电效应。
4.在实验室作检验标准用的压电仪表应采用sio2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PVDF。
5.使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量动态的力或压力。
6.动态力传感器中，两片压电片多采用并联接法，可增大输出电荷量；在电子打火机和煤气灶点火装置中，多片压电片采用串联接法，可使输出电压达上万伏，从而产生电火花。
7.用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了逆压电效应原理。
二、综合题1.简述压电式加速度传感器的结构及原理。
压电式加速度传感器一般由壳体及装在壳体内的弹簧、质量块、压电元件和固定安装的基座组成。
压电元件一般由两片压电片组成，并在压电片的两个表面镀银，输出端由银层或两片银层之间所夹的金属块上引出，输出端的另一根引线就直接和传感器的基座相连。
在压电片上放置一个质量块，然后用硬弹簧对质量块预加载荷，然后将整个组件装在一个基座的金属壳体内。
为了隔离基座的应变传递到压电元件上去，避免产生假信号输出，增加传感器的抗干扰能力，基座一般要加厚或者采用刚度较大的材料制造。
使用时，将传感器基座与试件刚性固定在一起，当其感受振动时，由于弹簧的刚度相当大，质量块的质量相对较小，可以认为质量块的惯性很小。
因此可以认为质量块感受到与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力作用，这样，质量块就有一个正比于加速度的作用力作用在压电片上。
通过压电片的压电效应，在压电片的表面上就会产生随振动加速度变化的电压，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器输出的电压与作用力成正比，即与传感器感受到的加速度成正比。
车辆检测技术——压电式传感器
第五章压电式传感器第一节压电式传感器的工作原理压电式传感器以某些电介质（如石英晶体或压电陶瓷、高分子材料）的压电效应为基础而工作的。
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。
因此是一种典型的自发电式传感器。
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。
一压电效应压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。
那么，什么是压电效应呢？由物理学知，一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)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。
在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷Q（如图5-1(a)所示），且Q与外应力张量T成正比：Q （5-1）dT式中，d——压电常数(a)正压电效应； (b)压电效应的可逆性图5-1 压电效应原理图当外力消失后，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。
如果在这些电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。
其应变S 与外电场强度E 成正比：E d S t （5-2）式中d t ——逆压电常数。
这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
可见，具有压电性的电介质（称压电材料），能实现机电能量的相互转换，如图5-1(b)所示。
二 压电材料目前压电材料可分为三大类：第一类是压电晶体（单晶），它包括压电石英晶体和其他压电单晶；第二类是压电陶瓷（多晶半导瓷）； 第三类是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。
在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。
《传感与检测技术》教案电子教案完整版授课教案整本书教案电子讲义(最新)
2.接近传感器的位置检测电路制作
3. 接近传感器的位置检测电路调试
四、电感传感器在电动测微仪中的应用
1. 差动变压器式电感传感器的识别、检测和选用
2. 电感传感器的电动测微仪检测电路制作
（1）电路组成及原理
（2）制作步骤、方法和工艺要求
3.电感式传感器的电动测微仪检测电路调试
1.初识湿敏传感器
（1）湿敏传感器的分类
（2）电阻式湿敏传感器
（3）电阻式湿敏传感器的工作原理
（4）电阻式湿敏传感器的应用
2.自动去湿装置的电路制作
（1）自动去湿电路原理
（2）湿敏传感器的选型及使用注意事项
3.湿敏传感器在自动去湿装置中的应用电路调试
（1）检查电源回路
（2）电路调试过程
教学评价
见教材各项目最后的任务评价表
2.能够熟练对霍尔式传感器和电磁式传感器进行检测
3.能够正确安装、使用霍尔式传感器和电磁式传感器
4.能够分析霍尔式传感器信号检测和转速计算的原理，并能进行熟练调试
5.能够分析电磁式传感器信号检测和转速计算的原理，并能进行熟练调试
教学过程
课程导入
一、组织教学（2分钟）
整顿纪律、清点人数，稳定学生情绪。
（6）霍尔式传感器的应用
（7）霍尔转速表
2.霍尔式传感器在汽车防抱死装置中的应用电路制作
3.霍尔式传感器在汽车防抱死装置中的应用电路调试
（1）工作原理
（2）调试方法和步骤
二、磁电式传感器在发动机转速检测电路中的应用
1.初识磁电式传感器
（1）基本原理
（2）结构类型
（3）信号调理电路
（4）磁电式传感器的应用
传感器与检测技术周杏鹏
1.传感器定义：以一定精度把某种被测量按照一定规律转换成另一参量的器件或者测量装置。
实物测量装置由敏感器件和转换器件和基本转换电路组成2.计量：用精度等级更高的标准量具、器具对被测样品进行考核性质的测量。
非实时、离线、标定检测：在生产、实验等现场，利用某种合适的检测仪器或综合测试系统对被测对象进行在线、连续的测量。
3.检测技术作用：（1）城市生活污水处理（2）新型武器和设备的研制与测试（3）先进医疗检测仪（4）生活中化学成分检测（5）防火防盗及家用电器安全监测4.检测系统组成：稳压电源+输入设备+传感器+信号调理+数据采集+信号处理+信号显示+信号输出信号调理：对传感器输出的微弱信号进行检波、转换、滤波、放大等，以方便检测系统后续处理或显示。
组成：滤波、放大、线性化、要求：能准确转换、稳定放大、可靠地传输信号信号处理：进行数据处理和各种控制的中枢环节。
组成：嵌入式微控制器、DSP专用高速数据处理器、大规模集成电路5.检测系统分类：（1）按被测量（电工量、热工量、机械量、光学量、状态量）（2）被测量的检测转换方法（电磁转换、光电转换、其他能/电转换）（3）使用性质（实验室表、工业用表、标准表）6.传感器分类：（1）按输入参量（位移传感器，压力传感器）（2）按转换机理（电阻式、电容式、压电式、超声波式）（3）按物理现象（结构型、物性型）（4）按能量关系（能量转换——自源型、带激励源型、能量控制——外源型）（5）按输出信号（模拟式、数字式）7.检测系统发展：（1）不断拓展测量范围、努力提高检测精度和可靠性；（2）重视非接触式检测技术研究；（3）模拟式，数字式，向智能化发展8.传感器发展：（1）研发新型传感器（2）采用新技术提高现有传感器的性能（3）微型化，智能化，集成化9.测量单位、测量仪器与设备是测量的“三要素”。
CHAPTER2检测知识1.量：物体和物质可以定性区别和定量确定的一种属性。
量值：由一个数和一个计量单位表示的量。
传感器与检测技术第二版胡向东著第六章 压电式传感器
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4. 压电材料的特性参数
• • • • 压电系数：衡量压电效应强弱（灵敏度） 弹性系数：决定固有角频率（动态特性） 介电常数：影响固有电容（频率下限） 机电耦合系数：用于衡量能量转换效率
电能 正： 机械能
机械能 逆： 电能
• 电阻：减少电荷泄漏（改善压电式传感器的低频特性） • 居里点：开始失去压电特性的温度
为了扩展频带的低频段， 要提高回路的时间常数R （Ca+Cc+Ci)，如果只增加电容 量，会降低灵敏度S，故常采用 Ri很大的前置放大器。
令1 1 1 R Ca Cc Ci
U im w w1 2 U im 1 w w1
2
arctan
w w1
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石英晶体、钛酸钡、PZT系比较
• 石英是较好的单晶体类压电材料，除了压电系数不大外，其他 特性都具有显著优越性：居里点573℃，压电系数的温度系数 小，弹性系数较大，机械强度高。主要用于测量大量值的力或 加速度或作为标准传感器使用。 • 钛酸钡（BaTiO3）：较好的多晶体陶瓷类压电材料，突出的特 点：压电系数比石英大几十倍，但居里点温度在 120℃左右， 使用温度不超过 70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。较 其他压电陶瓷更容易极化。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT）系列，居里 点在 300℃左右，工作温度较高，性能稳定，有较高的介电常 数和压电系数。但较难极化。
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特点：
结构简单、体积小、重量轻； 工作频带宽；灵敏度高；信噪比高； 工作可靠；测量范围广等。 用途： 主要用于与力相关的动态参数测试，如动态 力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压 力、位移、温度等许多非电量转换为电量。
压电式传感器-精品课程——传感器与检测技术
第7章霍尔传感器霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量的一种传感器。
它可以直接测量磁场及微位移量，也可以间接测量液位、压力等工业生产过程参数。
本章在介绍霍尔元件的基本工作原理、结构和主要技术指标的基础上，讨论测量电路及温度补偿方法；最后介绍霍尔传感器的应用。
7.1 霍尔元件工作原理霍尔元件是霍尔传感器的敏感元件和转换元件，它是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的。
所谓霍尔效应是指置于磁场中的导体或半导体中通入电流时，若电流与磁场垂直，则在与磁场和电流都垂直的方向上出现一个电势差。
图7.1所示为一个N 型半导体薄片。
长、宽、厚分别为L 、l 、d ，在垂直于该半导体薄片平面的方向上，施加磁感应强度为B 的磁场。
在其长度方向的两个面上做两个金属电极，称为控制电极，并外加一电压U ，则在长度方向就有电流I 流动。
而自由电子与电流的运动方向相反。
在磁场中自由电子将受到洛仑兹力F L 的作用，受力的方向可由左手定则判定，即使磁力线穿过左手掌心，四指方向为电流方向，则拇指方向就是多数载流子所受洛仑兹力的方向。
在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。
所以在半导体薄片的宽度方向形成了电场，该电场对自由电子产生电场力F E ，该电场力F E 对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止自由电子的继续偏转。
当电场力与洛仑兹力相等时，自由电子的积累便达到了动态平衡，这时在半导体薄片的宽度方向所建立的电场称为霍尔电场，而在此方向的两个端面之间形成一个稳定的电势，称霍尔电势U H 。
上述洛仑兹力F L 的大小为F L =e B式中，F L 为洛仑兹力（N ）；e 为电子电量，等于1.602×10-19C ；为电子速度（m/s ）；B 为磁感应强度（Wb/m 2）。
电场力的大小为F E =eE H =e H Ul式中，F E 为电场力（N ）；E H 为霍尔电场强度（V/m ）；U H 为霍尔电势（V ）；l 为霍尔元件宽度（m ）。
汽车电工电子基础(第二版) 6.2 爆震传感器(压电陶瓷)
完成汽车爆震传感器特性实训积木板的连接，填写工作页。 外观认识：该汽车爆震传感器特性实训板由爆震传感器、震动电机、电机转速调节 电位器、爆震传感器输出电压显示等组成，输出端子的名称是_______________。 特性观察：连接好如图所示电路，检查无误后接通电源，从左至右旋转震动频率调 节电位器，观察信号电压显示数值跟震动频率有何关系？__________________；用 示波表观察信号输出电压，有何特点？_________________________________。 故障设置模式观察：将积木教学实训板上的故障开关2个端子分别断开，观察示波 表波形有何变化？___________________________________________________。
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3）音乐IC驱动压电陶瓷片。 步骤 图示 工作页 读识电路原理图，说明每个积木板的作用。 电源：_______________________________ 音乐IC：_____________________________ 压电陶瓷：___________________________ 触发开关：___________________________
图6-6 磁致伸缩式爆震传感器的外形与结构
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6.项目实施
（1）任务布置
1）压电陶瓷的测量。 2）有源蜂鸣器发声。 3）音乐IC驱动压电陶瓷片。 4）汽车爆震传感器特性实训。
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（2）任务准备
需要准备以下器材。
实训指导书 万用表 可调锂电池模块 示波表
开关熔丝积木板
二小组和教师对本学习任务进行评价考核项目评分标准分数学生自评权重20小组互评权重60教师评价权重20团队合作是否协调信任活动参与是否积极主动安全实训有无安全隐患10现场6s是否做到10任务方案是否正确合实训过程是否独立完成40任务完成情况是否圆满完成工具和设备使用是否规范标10问答是否能够回答正确实训设备是否完好总分100教师签名
【精编】【课件】传感器与检测技术---压电式传感器资料幻灯片
（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。
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
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－Y方向的力作用下
产生电荷的压电效应称 为“横向压电效应”，
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。
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1. 石英晶体的压电效应
传感器与检测技术教程
左旋石英晶体
石英晶体的晶轴
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X 轴垂直的平面上产 生的电荷 Qx，它的大小 为
Qx d11Fx
式中： 方向和变形不同时压电系 数也不同。石英晶体的
ｄ11 为压电系数，受力
d11 2.310 C/N
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压电晶体
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(a) (b) (c)
天然石英晶体； 人工石英晶体； 右旋石英晶体理想外形
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压电陶瓷
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压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电 体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成； 所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电 畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电 畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同 性而不具有压电性
有机高分子压电材料
其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极 化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯 （PVF)等。 其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3 粉末制成的高分子压电薄膜。
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传感器与检测技术教程 常用压电晶体和压电陶瓷材料特性
压电陶瓷 压电材料 压电晶体 石英 SiO2 d11=2.31 d14=2.31
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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 dt E
式中： dt — 逆压电常数矩阵。这种现象称为 逆压 电效应，或称 电致伸缩。
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正压电效应
在这些电介质的一定方 向上施加机械力而产生变形 时，就会引起它内部正负电 荷中心相对转移而产生电的 极化，从而导致其两个相对 表面(极化面)上出现符号相反 的束缚电荷Q
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当外力消失，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。
1、正（顺）压电效应
2、逆压电效应（电致伸缩）
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§2 压电材料
压电材料的主要参数 压电常数 介电常数 电阻 居里点
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压电效应强弱：灵敏度 固有电容、频率下限
弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 机电耦合系数 机电转换效率
泄漏电荷、改善低频特性 丧失压电性的温度
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压电式传感器
受力、表面形变
压电器件
电荷
1
目
录
•压电效应
•压电材料 •测量电路
传感器与检测技术教程
•压电传感器及其特点
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传感器与检测技术教程 §1 压电效应 Piezoelectric Effect
居里兄弟
雅克· 居里（Jacques
BaTiO3压电陶瓷的极化
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新型压电材料
压电半导体
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硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉 (CdS)等，这些材料显著的特点是：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。
Curie）（1856年10月29 日-1941年），法国物理 学家，蒙彼利埃大学教授。
皮埃尔· 居里 (Pierre Curie)
(1859 -1906)
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他们发现了一些晶体在某
一特定方向上受压时，在 它们的表面上会出现正或 负电荷，这些电荷与压力 的大小成正比，而当压力 排除之后电荷也消失。 1881年，他们发表了关于 石英与电气石中压电效应 的精确测量。 1882年，他们证实了李普 曼(G．Lippmann)关于逆 效应的预言：电场引起压 电晶体产生微小的收缩。 利用压电现象，他们还设 计了一种压电石英静电 计——居里计。
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二、压电传感器的等效电路
压电晶片：
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Ce
压电传感器：
S
d
Q U Ce
只适宜动态测量
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压电传感器在实际测量 系统中的等效电路
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三、压电传感器的测量电路
前置放大器的作用： （1）放大 （2）阻抗转换
压电系数 (C/N) 相对介电常数 (r) 性 居里点温度 (℃) 能 密度 (103 kg/m3) 参 数 弹性模量 (108 Pa) 机械品质因数
d31 d33
4.5 573 2.65 80
300
81
2500
76
80
76
≥800
83
105
105~106
95~10
最大安全应力(106 N/m2)
体电阻率 (m) 最高允许温度 (℃)
1010
80
1010
250
1010
250
>1012
350
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§2 等效电路和测量电路
一、压电晶片的连接方式
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（1）并联：
C 2C , q 2q,U U
（2）串联：
1 C C , q q,U 2U 2
锆钛酸铅系列 钛酸钡 铌镁酸铅 铌酸锂 BaTiO3 PZT-4 PZT-5 PZT-8 DMN LiNbO3 d15 260 -78 190 1200 115 5.5 110 410 -100 200 1050 310 7.45 83.3 670 -185 4.5 2100 260 7.5 117 410 -90 200 1000 300 7.45 123 -230 700 2500 260 7.6 2200 -25.9 487 3.9 1210 4.64 24.5
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压电材料可分为三大类：
一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和 其他压电单晶；
二是压电陶瓷(多晶半导瓷)； 三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有 机高分子压电材料两种。
在传感器技术中，目前国内外普遍应用的
是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的 钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。