压电式传感器PPT课件
合集下载
压电式传感器_图文
④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得 到宽的工作温度范围；
⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
返回
上页
下页
6.5 测量电路
6.4.1电压放大器
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。 其中
返回
上页
下页
6.3 压电材料
选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应 考虑以下几个方面：
①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数 ；
②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度 高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动 频率；
③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望 减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；
相对轴向灵敏度的百分比表
示。
返回
上页
下页
6.2 影响压电式传感器主要因数
定义（用轴向灵敏度的百分比表示）： 最大横向灵敏度
Km=(Ky/Kz)100% =tg×100%;
一般横向灵敏度
Kt=(Kt/Kz)100% =tg×cos×100%;
返回
上页
下页
6.2 影响压电式传感器主要因数
产生横向灵敏度的必要条件 （1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力； （2）压电元件本身具有横向压电效应。 消除横向灵敏度的技术途径 （1）从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的
一致； （2）尽量Βιβλιοθήκη 取剪切型的力-电转换方式。一只较好
的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。
返回
上页
下页
《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
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
压电式传感器优秀课件
Y
l
b
PXX与应力σXX成正比，即
石英晶体切片
PXXd11 XXd11F lX b
PXXd11 XXd11F lX b
t
Z
式中 FX——X轴方向的压力大小；
X
d11——压电系数，又称机电耦合系数
Y
石英晶体d11=2.3×10-12C N-1；
l、b——石英晶片的长度和宽度。
PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即
压电式传感器
5.1 压电效应
第5章 压电式传感器
正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力
而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一
定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带
电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随
着改变。
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
F
等于零，即 P1＋P2＋P3＝0
P2
-
+
(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
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）。
一、石英晶体压电效应
在晶体学中，可以把将 其用三根互相垂直的轴 表示，其中： 纵轴Z称为光轴； 通过六棱线而垂直于光
压电式传感器.ppt
§2-1 压电体等效电路
F
q
电荷 放大器
U a q Ca
Ca
Ca q Ra
电荷源
Ua
Ra
电压 放大器
电压源
§2-2 电压放大器
1.等效电路
屏蔽线
F
Ca
电压 放大器
-A
Ua
Ra
Cc
屏蔽线
Ri
Ci
Ui
U sc
压电体
放大器
§2-2 电压放大器
2. 输入特性
F Fm sin t
Ua
Ca
-A
Ui j R K ( j ) d 33 u 1 j R (Ca Ci Cc ) F
90
3
0 3 Kum K0
0
0
§2-3 电荷放大器
1. 工作原理
CF
A0 104
CF
RF CF 1
RF
-A
-A
q
U sc
q
Ca R a
电荷源
U
U sc q CF
§2-3 电荷放大器
2. 工作频限
1 fL 2 R f C f
1 fH 2 Rc (Ca Cc )
Ch9 压电式传感器
力相关非电量 压电效应 逆压电效应 电量
机械能 压电晶体
压电材料 压电陶瓷 压电聚合物
电能
§1 压电效应
§1-1 现象
极化面 压电体 应力T
T
Q + +++++
各向异性
P
T
面电荷
形变
电极化P
D=dT
压电系数，张量
F
q
电荷 放大器
U a q Ca
Ca
Ca q Ra
电荷源
Ua
Ra
电压 放大器
电压源
§2-2 电压放大器
1.等效电路
屏蔽线
F
Ca
电压 放大器
-A
Ua
Ra
Cc
屏蔽线
Ri
Ci
Ui
U sc
压电体
放大器
§2-2 电压放大器
2. 输入特性
F Fm sin t
Ua
Ca
-A
Ui j R K ( j ) d 33 u 1 j R (Ca Ci Cc ) F
90
3
0 3 Kum K0
0
0
§2-3 电荷放大器
1. 工作原理
CF
A0 104
CF
RF CF 1
RF
-A
-A
q
U sc
q
Ca R a
电荷源
U
U sc q CF
§2-3 电荷放大器
2. 工作频限
1 fL 2 R f C f
1 fH 2 Rc (Ca Cc )
Ch9 压电式传感器
力相关非电量 压电效应 逆压电效应 电量
机械能 压电晶体
压电材料 压电陶瓷 压电聚合物
电能
§1 压电效应
§1-1 现象
极化面 压电体 应力T
T
Q + +++++
各向异性
P
T
面电荷
形变
电极化P
D=dT
压电系数，张量
传感器原理及应用压电式传感器.完美版PPT
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿 电轴x方向施加应力时，晶片将产生厚度变形，
O
y
并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极
x
化强度与应力成正比。
在垂直于x轴晶面上产生的电荷量为
b
z
q1 1d1 1 Fx
x
y
d11—压电系数。下标的意义为产生电荷的 面的轴向及施加作用力的轴向；a、b、c—石
这些自由电荷与陶瓷片内的束缚 电荷符号相反而数量相等，屏蔽和抵消 了陶瓷片内极化强度对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
极化方向
- - - - - 束缚电荷
＋＋＋＋＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上 吸附的自由电荷示意图
因此，无外力或外场 作用时，极化处理后的压 电陶瓷也表现不出来对外 界的电场或应力。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体 压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极 化的电畴，有一定的极化方向，从 而存在电场。
英晶片的长度、厚度和宽度。
c a
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
a q 12 d 12 b F y
压电式传感器传感器技术及应用课件
在航空航天中的应用案例
压电式传感器在航空航天领域中可以 用于测量飞行器的压力、振动等参数， 保障飞行器的安全性和稳定性。
VS
例如，在飞机发动机中，压电式传感 器可以监测涡轮的工作状态，控制发 动机的运转，提高飞机的安全性能。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
它们能够提供连续、准确的生理数据， 帮助医生及时了解患者的病情和做出 准确的诊断。
航空航天
01
在航空航天领域，压电式传感器 主要用于监测飞机的气动性能、 发动机工作状态以及航天器的空 间环境等。
02
它们能够提供高精度、高可靠性 的数据，帮助保证飞机的安全和 航天器的正常工作。
03 压电式传感器的设计与制 造
02 压电式传感器的应用领域
工业自动化
压电式传感器在工业自动化领域中广泛应用于测量和控制，如压力、位移、振动和 加速度等物理量的测量。
它们能够提供高精度、高可靠性的数据，帮助实现自动化生产线的精确控制和优化。
压电式传感器还可以用于工业安全系统中，例如检测机器的异常振动或压力变化， 以预防潜在的故障或事故。
制作工艺
采用陶瓷工艺、薄膜工艺等制作技术 ，将压电材料制成具有特定结构和性 能的元件。
压电式传感器的封装与测试
封装材料
选择合适的封装材料，如环氧树脂、陶瓷等，以保护压电元件免受环境的影响。
测试方法
对封装后的传感器进行性能测试，包括灵敏度、频率响应、温度稳定性等方面 的测试。
04 压电式传感器的校准与标 定
压电式传感器传感器技术及应用课 件
目录
• 压电式传感器技术概述 • 压电式传感器的应用领域 • 压电式传感器的设计与制造 • 压电式传感器的校准与标定 • 压电式传感器的发展趋势与展望 • 实际应用案例分析
压电式传感器应用 PPT课件
压电式传感器的应用实例
成员：郑逸凯 11192133 崔露凯 11192107 唐文杰 11192118
压电式传感器？
• 压电效应：某些电介质（晶体，极化的陶瓷，高分子聚合物和负
合材料等），当在它的适当方向施加作用力时，内部会产生电极化状 态的变化，同时在电介质的两端表面出现符号相反、与外力成正比的 束缚电荷。这种由外力作用而导致电介质带电的现象即为压电效应。
• 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发 射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电 超声换能器。
压电式流量计
• 压电超声换能器 每隔一段时间(如 1/100s)发射和接 收互换一次。在 顺流和逆流的情 况下，发射和接 收的相位差与流 速成正比。
压电式传感器在测漏中的应用
• 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏 引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放 两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的 t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。
两者时间差为
• Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v
LA 2
LB
L t v
2
压电声传感器在超声速测量实验中的应用
• 超声速测量实验装置Fra bibliotek当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电 陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振 动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1 是声频信号发生器。
加速度式心音传感器：将声信号转换为电信号
压电式声 传感器
• 当交变信号加在压电陶 瓷片两端面时，由于压 电陶瓷的逆压电效应， 陶瓷片会在电极方向产 生周期性的伸长和缩短 。
压电式传感器ppt课件
压电效应最为显著；
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（X轴）方向的力作用下产生电荷；
“横向压电效应”：
沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷；
在光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
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：
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。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d33 F (5.3.3)
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
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 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地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
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）
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（X轴）方向的力作用下产生电荷；
“横向压电效应”：
沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷；
在光轴（Z轴）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
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：
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。 放电电荷的多少与外力的大小成比例关系
Q d33 F (5.3.3)
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
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 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地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
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）
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
压电式传感器介绍课件
压电陶瓷：具有高灵敏度、 高稳定性和长寿命的特点
A
压电复合材料：结合多种材料 的优点，提高传感器的性能
C
B
压电薄膜：具有轻量化、柔 性化Fra bibliotek可弯曲的特点D
压电纳米材料：具有高灵敏度、 低功耗和快速响应的特点
集成化、微型化
01
集成化：将多个传 感器集成到一个芯 片上，实现多功能、
高精度的测量
02
微型化：减小传感 器的体积和重量， 提高便携性和可穿
压电材料：具有压电效应的材料，如石英、锆 钛酸铅等 传感器结构：由压电材料和电极组成，当受到 压力时，压电材料产生电荷，通过电极输出
信号处理：将输出的电荷信号进行放大、滤 波等处理，得到所需的测量信号
2
压电式传感器分 类
压电陶瓷传感器
工作原理：利用压电效应，将机械 能转化为电能
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、 响应速度快
微型化：压电式传感器将向微型化方向发展，体积更小， 重量更轻，便于携带和安装。
集成化：压电式传感器将实现多种功能集成，如压力、温 度、加速度等，提高测量精度和效率。
谢谢
和补偿
应用领域：汽车 安全气囊、地震
2 监测、航空航天
等领域
3
优点：高灵敏度、 宽频率响应、低 功耗、体积小
流量测量
压电式传感 器可用于测 量液体和气
体的流量
通过检测压 力变化来测
量流量
适用于各种 管道和设备， 如泵、阀门、
管道等
具有高精度、 高可靠性和 长寿命的特
点
4
压电式传感器发 展趋势
新型压电材料
应用领域：广泛应用于压力、加速 度、流量、位移等物理量的测量
- 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)。
• 压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小 成正比。
QFQdF
精确表达式 Pi dij i
式中：dij是压电常数，单位为(C/N)； Pi是电荷的表面密度，单位为(C/cm2); σi是单位面积上的作用力（应力）， 单位为(N/cm2）。
-
7
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电常数矩阵：
(4) P2≠ 0， P1= P3= 0, (当只有σ5、σ6时,改变 了晶体在y方向无电荷的状况)：
d25 ≠ 0, d26 ≠ 0, d15=d35=0, d16=d36=0;
-
11
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电常数矩阵：
d11 d11 0 d14 0
0
D0 0 0 0 d14 2d11
天然石英晶体的结构外形
• 光轴( Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射
现象,且无压电效应；
• 电轴(X轴):与该压轴垂直的面，压电效应最为显著; • 机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最
大。
-
6
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电方程——压电效应的数学表达式
•注意事项：极化面在Z轴，而X，Y轴各向同性。
-
14
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
单向应力的压电方程表达
P 1d111, P 1d122, P 3d333, P 3d311, P 3d322;
其中，P=Q/S， σ=F/S （S为作用面的面积），
Q 1 d 1F 1, Q 1 d 1F 2 2 S 1S 2, Q 3 d 3F 3 3, Q 3 d 3F 1 S 3S 1 ,Q 3 d 3F 2 2 S 3S 2;
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电 传感器。它的工作原理是基于压电材 料的压电效应。石英晶体的压电效应 早在1680年即已发现，1948年制作出 第一个石英传感器。
-
1
返回
下页
第6章 压电式传感器
6.1 压电转换元件的工作原理--压电效应
6.2 影响压电传感器的因素
6.3 压电材料
0 0 0 0 0 0
对石英晶体
d112.311012(C/N), d140.731012(C/N)。
-
12
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电陶瓷压电效应机理
▪ 压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。
• 多晶：由无数细微单晶组成； • 铁电体：具有电畴结构； • 电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。
d11 d12 d13 d14 d15 d16 Dd21 d22 d23 d24 d25 d26
d31 d32 d33 d34 d35 d36
一般情况下压电方程：
P D d d2 11 11 1 d d2 12 22 2 d d2 13 33 3 d d1 24 44 4 d d1 25 55 5 d d126666 d311d322d333d344d355d366
-
3
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为 图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
-
13
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴” 规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材 料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷， 形成压电陶瓷。
压电常数矩：
0 0 0 0 d15 0 D 0 0 0 d15 0 0
d31 d31 d33 0 0 0
6.4 等效电路
6.5 测量电路
6.6 压电式传感器的应用举例
6.7 新型压电材料及应用
6.8 超声波传感器原理及应用
本章要点
-
2
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用 时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生 符号相反的电荷；当外力去掉后，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； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述 现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电 场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也 随着消失，称为逆压电效应。
-
4
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电方程和压电常数矩阵
压电效应 • 正压电效应——某些晶体或多晶陶瓷受到外
力作用时，内部就产生极化现象，表面上产 生符号相反的电荷的现象； • 逆压电效应——如对晶体施加一定电场，晶 体本身将产生机械变形的现象。
-
5
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
(2)P1= P2= P3= 0, (当只有Fz时)： d13=d23=d33=0;
-
10
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
剪切力单独作用时，在表面A和B及C和D 上出现电荷：
(3) P1≠ 0， P2= P3= 0, (当只有σ4时,使晶体在x 方向有伸缩,等效有σ1作用)： d14 ≠ 0, d24=d34=0;
-
8
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
石英晶体压6.1 压电转换元件的工作原理
单向应力单独作用时（Fx、Fy及Fz ）， 只在表面A和B上出现电荷，符号与Fx， Fy有关：
(1)P1≠ 0， P2= P3= 0, (当只有Fx或Fy时)： d11=-d12 ≠ 0, d21=d31=0, d22=d32=0;
•压电陶瓷与石英晶体比较
d 1 1 2 . 3 1 1 1 ( C 0 2 / N ), d 3 3 1 1 9 1 ( C 0 2 / 0 N );
压电陶瓷效果显著。 -
返回
上页
15
下页
6.2 影响压电式传感器主要因数
①横向灵敏度
▪ 横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理 想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的作用 力，而对横向作用力不敏感。产生原因是压电片 制造得作用面不平行，粗糙，
QFQdF
精确表达式 Pi dij i
式中：dij是压电常数，单位为(C/N)； Pi是电荷的表面密度，单位为(C/cm2); σi是单位面积上的作用力（应力）， 单位为(N/cm2）。
-
7
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电常数矩阵：
(4) P2≠ 0， P1= P3= 0, (当只有σ5、σ6时,改变 了晶体在y方向无电荷的状况)：
d25 ≠ 0, d26 ≠ 0, d15=d35=0, d16=d36=0;
-
11
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电常数矩阵：
d11 d11 0 d14 0
0
D0 0 0 0 d14 2d11
天然石英晶体的结构外形
• 光轴( Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射
现象,且无压电效应；
• 电轴(X轴):与该压轴垂直的面，压电效应最为显著; • 机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最
大。
-
6
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电方程——压电效应的数学表达式
•注意事项：极化面在Z轴，而X，Y轴各向同性。
-
14
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
单向应力的压电方程表达
P 1d111, P 1d122, P 3d333, P 3d311, P 3d322;
其中，P=Q/S， σ=F/S （S为作用面的面积），
Q 1 d 1F 1, Q 1 d 1F 2 2 S 1S 2, Q 3 d 3F 3 3, Q 3 d 3F 1 S 3S 1 ,Q 3 d 3F 2 2 S 3S 2;
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电 传感器。它的工作原理是基于压电材 料的压电效应。石英晶体的压电效应 早在1680年即已发现，1948年制作出 第一个石英传感器。
-
1
返回
下页
第6章 压电式传感器
6.1 压电转换元件的工作原理--压电效应
6.2 影响压电传感器的因素
6.3 压电材料
0 0 0 0 0 0
对石英晶体
d112.311012(C/N), d140.731012(C/N)。
-
12
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电陶瓷压电效应机理
▪ 压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。
• 多晶：由无数细微单晶组成； • 铁电体：具有电畴结构； • 电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。
d11 d12 d13 d14 d15 d16 Dd21 d22 d23 d24 d25 d26
d31 d32 d33 d34 d35 d36
一般情况下压电方程：
P D d d2 11 11 1 d d2 12 22 2 d d2 13 33 3 d d1 24 44 4 d d1 25 55 5 d d126666 d311d322d333d344d355d366
-
3
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为 图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
-
13
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴” 规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材 料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷， 形成压电陶瓷。
压电常数矩：
0 0 0 0 d15 0 D 0 0 0 d15 0 0
d31 d31 d33 0 0 0
6.4 等效电路
6.5 测量电路
6.6 压电式传感器的应用举例
6.7 新型压电材料及应用
6.8 超声波传感器原理及应用
本章要点
-
2
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用 时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生 符号相反的电荷；当外力去掉后，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； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述 现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电 场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也 随着消失，称为逆压电效应。
-
4
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
压电方程和压电常数矩阵
压电效应 • 正压电效应——某些晶体或多晶陶瓷受到外
力作用时，内部就产生极化现象，表面上产 生符号相反的电荷的现象； • 逆压电效应——如对晶体施加一定电场，晶 体本身将产生机械变形的现象。
-
5
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
(2)P1= P2= P3= 0, (当只有Fz时)： d13=d23=d33=0;
-
10
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
剪切力单独作用时，在表面A和B及C和D 上出现电荷：
(3) P1≠ 0， P2= P3= 0, (当只有σ4时,使晶体在x 方向有伸缩,等效有σ1作用)： d14 ≠ 0, d24=d34=0;
-
8
返回
上页
下页
6.1 压电转换元件的工作原理
石英晶体压6.1 压电转换元件的工作原理
单向应力单独作用时（Fx、Fy及Fz ）， 只在表面A和B上出现电荷，符号与Fx， Fy有关：
(1)P1≠ 0， P2= P3= 0, (当只有Fx或Fy时)： d11=-d12 ≠ 0, d21=d31=0, d22=d32=0;
•压电陶瓷与石英晶体比较
d 1 1 2 . 3 1 1 1 ( C 0 2 / N ), d 3 3 1 1 9 1 ( C 0 2 / 0 N );
压电陶瓷效果显著。 -
返回
上页
15
下页
6.2 影响压电式传感器主要因数
①横向灵敏度
▪ 横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理 想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的作用 力，而对横向作用力不敏感。产生原因是压电片 制造得作用面不平行，粗糙，