压力传感器--压电传感器

+ +
+
-
x Fy
x
Fy
(b) + + (d )
+
-
-
-
压电材料-石英晶体
当切片在沿X轴的方向上受到压力Fx作用时， 晶体切片将产生厚度变形，并在与X轴垂直的平 面上产生电荷Qx，它的大小为：
石英晶体压电效应模型
压电材料-压电陶瓷
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
压电材料的主要特性参数
(4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于 转换输出能量（如电能）与输入的能量 （如机械能）之比的平方根； 它是衡量压 电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄 漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温 度称为居里点。
正压电效应
某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产 生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这 种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外 力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这 种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时， 电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能 的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”
压电材料的分类

源自文库
压电材料可以分为三类： 压电晶体 压电陶瓷 新型压电材料 他们都具有较大的压电常数，机械性能良好， 时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是 较理想的压电材料。 常见的压电材料：石英晶体、钛酸钡、锆钛酸 铅等。
压电材料-石英晶体
石英晶体的压电效应
图为天然结构的石英晶体外形和石英晶体切片
陶瓷材料逆压电效应
- - - - ＋＋＋＋＋
Ｅ
极化方向 - - - - ＋＋＋＋＋
电 场 方 向
逆压电效应示意图
压电陶瓷主要有以下两种：
石英晶体产生压电效应的微观机理
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 y 120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。 如图（1 + ）所示。
+ (1) + -
x
石英晶体受力方向与电荷极性关系
x
+ +
+ + + + (c)
Fx
+
( a) + -
x
+
-
Fx
+
-
+ + + +
贵州大学大数据与信息工程学院
压电式传感器
压电式传感器
1 压电效应及压电材料 2 压电式传感器的等效电路 3 压电式传感器的应用
压力检测
在测量上所称的压力就是物理学中的压强， 它是反映物质状态的一个参数；在工业自动化生 产过程中是重要工艺参数之一。
压力的概念及单位
1、压力的概念: 压力是垂直而均匀地作用在单 位面积上的力。大小由受力面积和垂直作用力 的大小两个因素决定。表达式为： 2、 压力的单位 （1）工程大气压 （3）约定毫米汞柱
压电材料-压电陶瓷
电场 方向
(a )
(b )
压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化
压电陶瓷
陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在
陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚 电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电 荷。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， 它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。
（2）标准大气压 （4）约定毫米水柱
概述
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料 的压电效应，是典型的有源传感器。 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有电 荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带 宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等特点， 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。
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 ⑤时间稳定性:要求压电性能不随时间变化。
具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。

压电材料的主要特性参数
（1） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应 强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵 敏度。 （2） 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决 定着压电器件的固有频率和动态特性。 （3） 介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元 件，其固有电容与介电常数有关；而固有 电容又影响着压电传感器的频率下限。
逆压电效应
相反，当在某些物质的极化方向上施加电场
，这些材料在某一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。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压 电效应”或“电致伸缩效应”。
压电效应
正压电效应 逆压电效应
机械能
电能
压电材料的性能要求

①转换性能:要求具有较大的压电常数。
压电陶瓷材料正压电效应
F
- - - - ＋＋＋＋＋
－
极化方向 - - - - ＋＋＋＋＋
＋
正压电效应示意图
压电陶瓷材料逆压电效应
若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场 的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚 电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生 伸长形变。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，就是压电陶瓷的逆压电效应。
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，它们各自的极化效应被 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
压电材料-压电陶瓷
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，当外电 场去掉后，电畴的极化方向基本没变化，即剩 余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性 。
压电陶瓷
压电陶瓷-正压电效应
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力 F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、负束缚 电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部 分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强度也变 大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充 电现象。