传感器与检测技术5第五章
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2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
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。
第5章 压电式传感器
5.1.1 压电效应
压电效应具有可逆性，它分为正压电效应和逆压电效应。
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） 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。
压电晶体
压
电
压电陶瓷
材
料
高分子压电材料
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
1.石英晶体
天然形成的石英晶体外形
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
天然形成的石英晶体外形（续）
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
石英晶体的压电机理分析
（a）晶体外形 （b）晶块 图5-2 石英晶体
技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的压电式传感器。 （2）能够运用压电式传感器完成一些简单的项目。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工 作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力 。
教学重难点
教学重点： 压电式传感器的工作原理和应用。 教学难点： 压电式传感器的测量电路。
图5-3 石英晶体的压电效应示意图
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5-3（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53(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5-3（c）。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
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。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
5.1 压电式传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电传感器。以 某些电介质的压电效应为基础，压电材料 受力后表面产生电荷，从而实现非电量向 电量的转换。
压电式传感器具有工作频带宽、灵敏度 高、结构简单、体积小、质量轻、工作可 靠等特点。
2020年9月14日星期一
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。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
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。
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。
2020年9月14日星期一
z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。
第5章 压电式传感器
（a）不受外力 (b) x轴方向受力 （ c）y轴方向受力
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压
力Fx时，在x面上产生的Fra Baidu bibliotek荷为
Q=d11 Fx
（5-1）
式中，d11为x轴方向受力的压电系数 （C/N）；Fx为x轴方向的作用力（N）。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
5.1.2 压电材料 压电传感器中的压电元件材料一般有三类：
第5章 压电式传感器
第五章 压电式传感器
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
1 5.1 压电式传感器的工作原理 2 5.2 压电式传感器的测量转换电路 3 5.3 压电式传感器的应用
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
教学目标
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。
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。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
（a）未极化的陶瓷 (b)正在极化的陶瓷 （c）极化后的陶瓷 图5-4 压电陶瓷的极化过程
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
2020年9月14日星期一
双面镀银并封装
第5章 压电式传感器
2.压电陶瓷
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）。
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。
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第5章 压电式传感器
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。
第5章 压电式传感器
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。
第5章 压电式传感器
5.1.1 压电效应
压电效应具有可逆性，它分为正压电效应和逆压电效应。
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） 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。
压电晶体
压
电
压电陶瓷
材
料
高分子压电材料
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第5章 压电式传感器
1.石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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第5章 压电式传感器
天然形成的石英晶体外形（续）
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第5章 压电式传感器
石英晶体的压电机理分析
（a）晶体外形 （b）晶块 图5-2 石英晶体
技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的压电式传感器。 （2）能够运用压电式传感器完成一些简单的项目。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨的工 作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力 。
教学重难点
教学重点： 压电式传感器的工作原理和应用。 教学难点： 压电式传感器的测量电路。
图5-3 石英晶体的压电效应示意图
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5-3（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53(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5-3（c）。
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第5章 压电式传感器
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。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
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第5章 压电式传感器
5.1 压电式传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电传感器。以 某些电介质的压电效应为基础，压电材料 受力后表面产生电荷，从而实现非电量向 电量的转换。
压电式传感器具有工作频带宽、灵敏度 高、结构简单、体积小、质量轻、工作可 靠等特点。
2020年9月14日星期一
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。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
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。
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。
2020年9月14日星期一
z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。
第5章 压电式传感器
（a）不受外力 (b) x轴方向受力 （ c）y轴方向受力
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第5章 压电式传感器
在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压
力Fx时，在x面上产生的Fra Baidu bibliotek荷为
Q=d11 Fx
（5-1）
式中，d11为x轴方向受力的压电系数 （C/N）；Fx为x轴方向的作用力（N）。
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第5章 压电式传感器
5.1.2 压电材料 压电传感器中的压电元件材料一般有三类：
第5章 压电式传感器
第五章 压电式传感器
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
1 5.1 压电式传感器的工作原理 2 5.2 压电式传感器的测量转换电路 3 5.3 压电式传感器的应用
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
教学目标
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。
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。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
（a）未极化的陶瓷 (b)正在极化的陶瓷 （c）极化后的陶瓷 图5-4 压电陶瓷的极化过程
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
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双面镀银并封装
第5章 压电式传感器
2.压电陶瓷
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）。
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。
2020年9月14日星期一
第5章 压电式传感器
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。