压电式传感器学生PPT
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第七讲 压电式传感器PPT课件
压电陶瓷的压电效应 • 压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。 • 当压电陶瓷极化处理后，材料内部存有很强的剩余场极化； 受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化， 产生压电效应。
a—Z向施力；b—X向施力 压电陶瓷的压电效应
如图a所示，当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z向）
高分子压电薄膜及拉制
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
二、 压电式传感器的测量电路 1.压电元件的串联与并联
(a)并联 (b)串联 压电元件的串联与并联
压电晶片的串、并联：
Fx
＋＋＋＋＋＋＋
Fx
―――――――
――――――― ＋＋＋＋＋＋＋
＋＋＋＋＋＋＋ ―――――――
最显著
从晶体上沿轴线切下的薄片称为
“晶体切片”。垂直于电轴Ｘ切割的 石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金 属，材料常为银或金，用以测量工作 面上产生的电荷。
切片在受到不同方向的作用力会产
生不同的极化作用。主要的压电效应 有纵向效应、横向效应和剪切效应。
X FX
＋＋＋ ＋＋
――― ―― FX
X FX
――― ―――
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
2021/3/19
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。
6
• Z轴是晶体的对称轴，光轴，该轴方向没有压电效应； • X轴称电轴，电荷都积累在此轴晶面上，垂直于X轴晶
面的压电效应最显著； • Y轴称机械轴，逆压电效应时，沿此轴方向的机械变形
Q XY
d12
a b
FY
《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
第5章-压电式传感器PPT课件
方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变 形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失的现象。
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
.
3
1.正压电效应演示
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。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
.
7
1.石英晶体
在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系 数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时，石 英晶体将完全失去压电特性，这就是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械 强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电 系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要 求较高的传感器中。
压电传感器大多是利用压电材料的压电效应 （在超声和电声工程中也有利用逆压电效应）
.
6
压电材料应具备以下几个主要特性： ①转换性能。要求具有较大的压电常数。 ②机械性能。机械强度高、刚度大。 ③电性能。高电阻率和大介电常数。 ④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高 的居里点，获得较宽的工作温度范围。
（b）
压电效应。
.
20
石英晶体受力方向与电荷极性关系
.
21
极化强度即： P11d11x d11aFxc 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、c——石英晶片的长度和宽度。
.
9
石英晶体
天然形成的石英晶体外形
.
10
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
.
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
.
3
1.正压电效应演示
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。
⑤时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。
.
7
1.石英晶体
在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系 数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573℃时，石 英晶体将完全失去压电特性，这就是它的居里点。 石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械 强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电 系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要 求较高的传感器中。
压电传感器大多是利用压电材料的压电效应 （在超声和电声工程中也有利用逆压电效应）
.
6
压电材料应具备以下几个主要特性： ①转换性能。要求具有较大的压电常数。 ②机械性能。机械强度高、刚度大。 ③电性能。高电阻率和大介电常数。 ④环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高 的居里点，获得较宽的工作温度范围。
（b）
压电效应。
.
20
石英晶体受力方向与电荷极性关系
.
21
极化强度即： P11d11x d11aFxc 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、c——石英晶片的长度和宽度。
.
9
石英晶体
天然形成的石英晶体外形
.
10
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
.
传感器第4章压电式ppt课件(共79张PPT)
τ一定，ω越高，压高力频变送响器应部越件 好
压电传感器的外形
块、振膜、下塑料块传递到压电
1 石英晶体的压电效应
2 压电陶瓷的压电效应
压电材料开始丧失压电性能的温度
εr ——压电材料的相对介电常数。
电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的前置放大器。
为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。
第27页，共79页。
第4章 压电式传感器
4.2.2 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, 它有一定的极化方向, 从而 存在电场。
❖在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效 应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电 陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
第28页，共79页。
压电陶瓷极化处理
第4章 压电式传感E器
✓在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场 方向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完 全地转向外电场方向。
✓让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方向都整齐 地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变, 即剩余极 化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。
✓极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。
第29页，共79页。
第4章 压电式传感器
1) 压电陶瓷的正压电效应 2) 如果在陶瓷片上施加一个与极化方向平行的压缩力，压电片
3) 产生压缩变形，使内部束缚电荷的间距变小，电畴发生偏转， 4) 极化强度变小，致使内部的束缚电荷变少，导致被吸附在外面
5) 电极上的自由电荷有一部分被释放，呈现放电状态。 6) 当外力消失后，陶瓷片恢复原状，使极化强度增大，内部束缚 7) 电荷增加，导致电极的吸附自由电荷增加，呈现充电状态。
(第5章)-压电式传感器PPT课件
第5章 压电式传感器
第5章 压电式传感器
5.1 压电效应及压电材料 5.2 压电式传感器测及量电路 5.3 压电式传感器的应用
-
1
第5章 压电式传感器
压电式传感器：典型有源传感器。 原理：压电效应（石英晶体、压电陶瓷晶体） 适用于动态力学的测量，但不适用于静态测量 （与力相关的动态参数测量）
-
2
第5章 压电式传感器
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图5-3c） 所示。与图5-3（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。
5.1 压电效应及压电材料
正压电效应
某些晶体，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，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电 荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称 压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效 应”。
-
17
第5章 压电式传感器
5.2 压电式传感器及测量电路
5.2.1
压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这 个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或 电压）输出。
由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的 情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这 实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。压 电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回 路一定的电流，故适用于动态测量。
第5章 压电式传感器
5.1 压电效应及压电材料 5.2 压电式传感器测及量电路 5.3 压电式传感器的应用
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1
第5章 压电式传感器
压电式传感器：典型有源传感器。 原理：压电效应（石英晶体、压电陶瓷晶体） 适用于动态力学的测量，但不适用于静态测量 （与力相关的动态参数测量）
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2
第5章 压电式传感器
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图5-3c） 所示。与图5-3（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。
5.1 压电效应及压电材料
正压电效应
某些晶体，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，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电 荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称 压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效 应”。
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17
第5章 压电式传感器
5.2 压电式传感器及测量电路
5.2.1
压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这 个特性，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或 电压）输出。
由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的 情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这 实际上是不可能的， 因此压电式传感器不能用于静态测量。压 电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回 路一定的电流，故适用于动态测量。
第 8 章 压电式传感器PPT课件
31.10.2020
26
压电元件组成压电传感器的连接方式
第8章 压电传感器
＋＋ ＋＋
＋ ＋ ＋＋ ＋
－
＋
＋＋ ＋＋ (a)
－ －－ － －
(b)
(a) 相同极性端粘结
(b)
（电学并联）
(b) 不同极性端粘结 （机械串联、电学串联）
31.10.2020
27
第8章 压电传感器
• 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场合。
31.10.2020
17
第8章 压电传感器
电场 方向
(a)
(b)
(a)未极化
(b) 电极化
(b) 压电陶瓷的极化
31.10.2020
18
压电陶瓷外形
第8章 压电传感器
31.10.2020
19
第8章 压电传感器
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
31.10.2020
20
压电陶瓷的正压电效应：
第8章 压电传感器
q3 d33F3
式中， d33—— 压电陶瓷的压电系数； F—作用力。
优点：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。
31.10.2020
21
压电陶瓷材料：
第8章 压电传感器
钛酸钡（BaTiO3），它的压电系数约为石英的50倍，但居 里点温度只有115℃，使用温度不超过70℃，温度稳定性和 机械强度都不如石英。 锆钛酸铅（PZT）系列，居里点在300℃以上，性能稳定， 有较高的介电常数和压电系数。
• 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态；
压电式传感器ppt课件-精品文档
当作用力Fz、Fy或Fx反向时，电荷的极性也反向。
压电陶瓷在受到如图5-12（c）所示的作用力Fx、Fy、
Fz共同作用时，在垂直于z轴的上、下平面上分别出现
正、负电荷。
+ +
z Fz
z
+ +
z Fz Fy y Fy x
+ + + +
- -
y
Fy x
- - - + +
- -
-
x
Fz
-
Fx
+
+
Fx
Fz
当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴
垂直的平面上产生电荷
Q d F x 11 x
( 5 . 3 . 1 )
d11——压电系数（C/N）
图5.3.1石英晶体切片示意图
若作用力是沿着机械轴方向，电荷仍在与 X轴垂直的平面
a a Q d F d F x 12 y 11 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 d F ( 5 . 3 . 3 ) 33
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
常见压电陶瓷 ： （1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如 石英。 （2）锆钛酸铅Pb（Zr· Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 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。
压电式传感器ppt课件
ppt精选版
1
第5章 压电式传感器
5.1 压电式传感器的工作原理
一、压电效应 二、压电材料 三、石英晶体的压电机理 四、压电陶瓷的压电机理
ppt精选版
2
第5章 压电式传感器
一、压电效应
当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种 材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到 不带电状态，这种现象被称为压电效应。
所以石英是理想的压电传感器的压电材料。
天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和 制作标准传感器。
② 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。
例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O6）等， 还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷酸二氢氨（NH 4H2PO4）等等。
第5章 压电式传感器
第5章 压电式传感器
压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，当 材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。
压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。
5.1 压电式传感器的工作原理 5.2 压电材料的主要特性 5.3 压电元件常用的结构形式 5.4 压电式传感器的信号调理电路 5.5 压电式传感器的应用
（PVF2）、聚氯乙烯（PVC）、聚γ甲基－L谷氨酸脂（PMC）和尼 龙11等。
这些材料的独特优点是质轻柔软，抗拉强度高，蠕变小，耐冲 击，体电阻达162Ω·m，击穿强度为150~200kV/mm，声阻抗近于水 和生物体含水组织，热释电性和热稳定性好，且便于批量生产和大 面积使用，可制成大面积阵列传感器乃至人工皮肤。
压电陶瓷元件
第五章压电式传感器《传感器原理及应用》课件(共45张PPT)
晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶 体的形变(xíngbiàn)与图〔b〕相似；当FY＜0时，那么与图〔c〕 相似。由此可见，晶体在Y〔即机械轴〕方向的力FY作用下，使 它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向那么不产生压电效应。
第十一页，共45页。
XF X ＋＋＋＋
XF X －－－－
压电效应〞，而把沿机械轴
Y
Y－Y方向的力作用 (zuòyòng)下产生电荷的压
Y
X
电效应称为“横向压电效应 X
〞，沿光轴Z－Z方向受力那
(a)
(b)
么不产生压电效应。
石英(shíyīng)晶体 (a)理想石英(shíyīng)晶体的外形 (b)坐标系
第六页，共45页。
压电电荷(diànhè)符号与受力方向
电为C荷a，中εdA间为绝εrεd缘0A体的电电(容dià极器nj ，如图(b)。其电容量
当两极板聚集异性电荷时， í)
q
那么两极板呈现一定的电压，
＋＋＋＋ q
Ca
其大小为
――――
压电晶体
Ua
q Ca
(jīngtǐ)
(a)
(b)
压电传感器的等效电路
第二十一页，共45页。
Ca
因此，压电传感器可等效为电 压源Ua和一个电容器Ca的串联
第十二页，共45页。
理解：纵向(zònɡ xiànɡ)压电效应 与 横向压电效应
第十三页，共45页。
假设从晶体上沿 yoz 方向(fāngxiàng)切下一块如图 所示晶片, 当 在电轴方向(fāngxiàng)施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产 生电荷, 其大小为 qx = d11 Fx 式中: d11 ——x方向(fāngxiàng)受力的压电系数; Fx——作用力。
第十一页，共45页。
XF X ＋＋＋＋
XF X －－－－
压电效应〞，而把沿机械轴
Y
Y－Y方向的力作用 (zuòyòng)下产生电荷的压
Y
X
电效应称为“横向压电效应 X
〞，沿光轴Z－Z方向受力那
(a)
(b)
么不产生压电效应。
石英(shíyīng)晶体 (a)理想石英(shíyīng)晶体的外形 (b)坐标系
第六页，共45页。
压电电荷(diànhè)符号与受力方向
电为C荷a，中εdA间为绝εrεd缘0A体的电电(容dià极器nj ，如图(b)。其电容量
当两极板聚集异性电荷时， í)
q
那么两极板呈现一定的电压，
＋＋＋＋ q
Ca
其大小为
――――
压电晶体
Ua
q Ca
(jīngtǐ)
(a)
(b)
压电传感器的等效电路
第二十一页，共45页。
Ca
因此，压电传感器可等效为电 压源Ua和一个电容器Ca的串联
第十二页，共45页。
理解：纵向(zònɡ xiànɡ)压电效应 与 横向压电效应
第十三页，共45页。
假设从晶体上沿 yoz 方向(fāngxiàng)切下一块如图 所示晶片, 当 在电轴方向(fāngxiàng)施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产 生电荷, 其大小为 qx = d11 Fx 式中: d11 ——x方向(fāngxiàng)受力的压电系数; Fx——作用力。
《压电式传感器》课件
结构简单
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
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
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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。
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2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
ppt课件
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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。
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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。
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2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
《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07章 压电式传感器[可修改版ppt]
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§7.2 压电材料的分类及特性
压电元件材料一般有三类： (1) 单晶压电晶体（如上述的石英晶体） (2) 多晶压电陶瓷 (3) 新型压电材料
--- 压电半导体 --- 高分子压电材料
§7.2 压电材料的分类及特性
1. 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：
江苏科技大学机械工程学院
第07章 压电式传感 器
§7.1 压电效应
电能
逆压电效应 正压电效应
机械能
石英晶体的压电效应演示
§7.1 压电效应
常见的压电材料分为三类： 1)单晶压电晶体(如石英、酒石酸钾钠等) 2)多晶压电陶瓷(如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等 ) 3)高分子材料(聚偏二氟乙烯(PVDF) )。
转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、 固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃(压电 系数不随温度而改变)、工作湿度高达100%、稳定性 好。
§7.2 压电材料的分类及特性
x轴：电轴或1轴； y轴：机械轴或2轴； z轴：光轴或3轴。
“纵向压电效应”：沿电轴(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)方向有作用力时，不会产生压电效应。
2. 压电陶瓷 人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
（a）未极化的陶瓷 （b）正在极化的陶瓷 （c）极化后的陶瓷
压电陶瓷的极化
§7.2 压电材料的分类及特性
常见压电陶瓷：
(1) 钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英
(2) 锆钛酸铅Pb(Zr·Ti)O3系压电陶瓷(PZT) 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条 件变化小，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。
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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。
2. 石英晶体产生压电效应的微观机理
石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。下图是一个单元 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， 等效为一个正六边形排列。 图中“＋”代表硅离子Si4+， “－”代表氧 离子O2-。
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四、压电传感器的应用
（1）、压电式测力传感器（P150） （2）、压电式加速度传感器（P151） （3）、压电式金属加工切削力测量 （4）、压电式玻璃破碎报警器
备注：三、主要用于金属加工切削力测量。 四、主要用于玻璃破碎报警器
（2）、压电式加速度传感器（P151）
压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高， 可用于测量振动、冲击等信号。其外形见下图。
（3）有机高分子压电材料
有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼 龙等十余种高分子材料。它可根据需要制成薄 膜或电缆套管等形状，并且可大量生产和制成 较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优 越性,是很有发展潜力的新型电声材料。
其他压电材料 同时具有半导体特性和压电特性的晶体 如： 硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这 种材料可以制成集敏感元件和电子线路于 一体的新型压电传感器，很有发展前途。
备注：压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材 料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作。 压电陶瓷的弱点：性能没有石英晶体稳定。但随着材料科学的发展，压电陶瓷的性能正在逐步提高。
（2）经过极化处理的 压电陶瓷（多晶）
压电陶瓷应用实例 压电陶瓷换能器 压电陶瓷换能器
（4）、压电式玻璃破碎报警器
将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破
碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。
以上内容为本组全体成员共同努力完成，如有 错误的地方希望同学们能在课后指出，如果您觉 得不错请给点掌声！
谢谢观赏！
Hale Waihona Puke （3）有机高分子压电材料。
（1）压电晶体
石英晶体
双 面 镀 银 并 封 装
天然形成的石英晶体外形
其他压电单晶还有适用于高温辐射 环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、 锗酸铋等
（2）经过极化处理的 压电陶瓷（多晶）
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，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）。
压电式传感器
本组成员： 黄宇托、黄梓健、邝嘉宜、 李杰汉、李铨春
压电式传感器
一、压电材料 二、压电式传感器的工作原理
三、
压电式传感器的等效电路和测量电路
四、压电传感器的应用
一、压电材料
（P146）
压电传感器中的压电元件材料一般有三类：
压电陶瓷（多晶）；
（1）压电晶体； （2）经过极化处理的
式中
s--极板面积
0 --真空介电常数
Ca
r
0
εr--压电材料相对介电常数
δ--压电元件厚度
Ra是压电元件的漏电阻
等效电路
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穷大)U为
Q U Ca
这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q 和一个电容器Ca的等效电路；同时也等效为 一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电 路。其中Ra为压电元件的漏电阻。
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测量电路
根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电 元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：
电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压) 成正比。 电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。
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测量电路
电压放大器和电荷放大器：
Ri、Ci、Cc分别为放大器的输入电阻、输入电容和电缆线的电容
y x + y + x
-
(a)
+
(b) 硅氧离子的排列示意图
说明产生了压电效应。
三、 压电式传感器的等效电路和测量电路
等效电路
压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因 此它相当于一个电荷源。 而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器 ，其电容量为： s
压 三、 电 式 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，在电介质表面产生电荷， 从而实现非电量电测的目的。
压电效应
（P146）
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶 体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表 面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态 ；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的 电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成 的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又 称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。 压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚 度切变型、平面切变型 5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所 有晶体都能在这 5种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，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。