第7章压电元件与超声波传感器详解
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• 在Y 轴方向施力时, 产生电荷大小为: q y d12d1ba2横向y压电系数，σy为Y方向应力
• 根据晶体的对称性，压电系数 d12 = - d11
a 、b 是晶体切片几何尺寸(长 、厚)，qx、qy 符号决定力的方向。
➢ 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关， 分子六边形分布，三个电偶极矩。
Q
C aU
➢ 视为电压输出时可等效为电压源U与
电容Ca串联，开路状态输出端电压为：U Q / C a
❖ 根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种
电荷灵敏度 电压灵敏度
Kq
Q F
U Ku F
根据它们之间的关系有：
• 沿X（电轴）作用产生 电荷称纵向压电效应
• 沿Y（机械轴）作用产 生电荷称横向压电效应
• 沿Z（光轴）不产生压 电效应
➢ 压电特性的各向异性可用矩阵表示
• 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:
Q d为d F压电系数（与材料有关的常数）
• 在X 轴方向施力时, 产生电荷大小为:
q x dd1111纵向x 压电系数，σx为X方向应力
P1 , P2 , P3 ( P1 P2 P3 ) 0
• 出现上正下负电荷；
• 晶体受沿Z 轴方向的应力时X、Y方
向形变相同不产生压电效应；
• 应力方向为拉力时，电荷极性与上述 相反。
石英晶体压电模型
7.2.2 压电陶瓷
➢ 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电 材料，材料的内部晶粒有许多自发 极化的电畴，具有一定的极化方向。
++++++++++ _
U’
____________
+
电压增加一倍适用于电压放大器
7.3.2 压电传感器等效电路
➢ 压电传感器可视为电荷源
➢ 看成具有+、- 极性的电容器，
可等效为一个电容器Ca；
➢ 电容极板上电压大小与极板间 电荷成正比
Q dF
Ca
S
d
U Q /Ca
➢
视为电荷输出时可等效为电荷源Q和 电容Ca并联，开路状态输出端电荷为：
压电加速度计
压电警号
压电陶瓷超声换能器 水声（声呐）换能器
7.1 压电效应
❖ 自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非 对称两大类，其中非中心对称的21种有20种 具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对 称引起的。
❖ 某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力 变形时，内部产生极化现象，同时在它表面 会产生符号相反的电荷；
➢ 晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面） 作用力时，引起剩余极化强度变化，在极 化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成 正比关系，电荷密度：
q d 33
d33 — 压电陶瓷的纵向压电常数，d33 比 d11、 d12大的多
• 所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度 比压电晶体高，但极化后的压电陶 瓷受温度影响又使压电特性减弱。 随时间延长（2年后）d33会下降， 作为传感器使用时要经常校准修正。
C 2C
Q ' 2Q
U’
U 'U
电荷增加一倍，适用于电荷放大器
+++++++++++ + _____________ _ __________
+
_
+++++++++++
❖ 压电晶片按 + - - + 粘贴时电路串联
C' C 2
U ' 2U Q' Q
++++++++++ + ___________ _
• 无电场作用时，电畴在晶体中分布 杂乱分布，极化相互抵消呈中性。
• 施加外电场时，电畴的极化方向发 生转动，趋向外电场方向排列。外 电场强度达到饱和程度时，所有的 电畴与外电场一致。
➢ 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度 很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化 时是非压电体。
➢ 当外力去掉后又重新恢复不带电状态；
➢ 当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变.
❖ 逆压电效应
➢ 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，
将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
➢ 压电元件可以将机械能
电能
也可以将电能
机械能
机 械 能
压电元件
电 能
7.2 压电材料
➢ 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。
7.2.3 新型压电材料
➢ 石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺 点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。
➢ 新型合成高分子材料：PVF聚氟乙烯、 PVF2聚偏二氟 乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服这一缺陷，可以作 成轻小柔软的压电元件。
➢ 灵敏度比PZT（压电陶瓷）大17倍。
➢ 压电半导体材料，具有压电特性又有半导体特性， 可研制集成压电传感器系统。
• 当晶体不受力时（F=0），正负离子分布 在六边形顶角，电偶极矩互成1200夹角， 矢量和为零，晶体呈中性；
P1 P2 P3
• 当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩 形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于
P1 , P2 , P3 ( P1 P2 P3 ) 0
• 出现上负下正电荷；
• 当晶体受沿Y 轴方向的应力时，Y 方 向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的 分量由于
第7章 压电元件与超声波传感器
主要内容
7.1 压电效应 7.2 压电材料 7.3 测量电路 7.4 压电式传感器的应用 7.5 超声波传感器
概述
➢ 压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的 发电型传感器.
➢ 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测 量，在声学、医学、力学、Fra Baidu bibliotek航方面都得到广泛的应用。
➢ 压电材料可以分为两类： 压电晶体、压电陶瓷。
7.2.1 石英晶体
• 石英晶体特征 天然、人工晶体两种都属于单晶体 化学式为 —— SiO2，外形无论再小 都呈六面体结构
• 石英晶体沿各个方向的特征不同，需按特定方向切片。
压 电 晶 片
人工合成水晶
按特定方向切片
• 石英晶体沿各个方向的特征不同 （按特定方向切片）
➢ 这些材料有：(ZnS) (CdTe) (ZnO) (CdS) (GaAs)
7.3 测量电路
7.3.1 压电元件结构形式
➢ 在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷， 常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于 压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：
❖ 压电晶片按 + - + - 粘贴时电路并联
• 根据晶体的对称性，压电系数 d12 = - d11
a 、b 是晶体切片几何尺寸(长 、厚)，qx、qy 符号决定力的方向。
➢ 石英晶体的上述特征与内部分子结构有关， 分子六边形分布，三个电偶极矩。
Q
C aU
➢ 视为电压输出时可等效为电压源U与
电容Ca串联，开路状态输出端电压为：U Q / C a
❖ 根据等效电路，压电传感器灵敏度有两种
电荷灵敏度 电压灵敏度
Kq
Q F
U Ku F
根据它们之间的关系有：
• 沿X（电轴）作用产生 电荷称纵向压电效应
• 沿Y（机械轴）作用产 生电荷称横向压电效应
• 沿Z（光轴）不产生压 电效应
➢ 压电特性的各向异性可用矩阵表示
• 压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系:
Q d为d F压电系数（与材料有关的常数）
• 在X 轴方向施力时, 产生电荷大小为:
q x dd1111纵向x 压电系数，σx为X方向应力
P1 , P2 , P3 ( P1 P2 P3 ) 0
• 出现上正下负电荷；
• 晶体受沿Z 轴方向的应力时X、Y方
向形变相同不产生压电效应；
• 应力方向为拉力时，电荷极性与上述 相反。
石英晶体压电模型
7.2.2 压电陶瓷
➢ 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电 材料，材料的内部晶粒有许多自发 极化的电畴，具有一定的极化方向。
++++++++++ _
U’
____________
+
电压增加一倍适用于电压放大器
7.3.2 压电传感器等效电路
➢ 压电传感器可视为电荷源
➢ 看成具有+、- 极性的电容器，
可等效为一个电容器Ca；
➢ 电容极板上电压大小与极板间 电荷成正比
Q dF
Ca
S
d
U Q /Ca
➢
视为电荷输出时可等效为电荷源Q和 电容Ca并联，开路状态输出端电荷为：
压电加速度计
压电警号
压电陶瓷超声换能器 水声（声呐）换能器
7.1 压电效应
❖ 自然界中32种晶体点阵，分为中心对称和非 对称两大类，其中非中心对称的21种有20种 具有压电效应，压电现象是晶体缺乏中心对 称引起的。
❖ 某些电介质（晶体）当沿着一定方向施加力 变形时，内部产生极化现象，同时在它表面 会产生符号相反的电荷；
➢ 晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面） 作用力时，引起剩余极化强度变化，在极 化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成 正比关系，电荷密度：
q d 33
d33 — 压电陶瓷的纵向压电常数，d33 比 d11、 d12大的多
• 所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度 比压电晶体高，但极化后的压电陶 瓷受温度影响又使压电特性减弱。 随时间延长（2年后）d33会下降， 作为传感器使用时要经常校准修正。
C 2C
Q ' 2Q
U’
U 'U
电荷增加一倍，适用于电荷放大器
+++++++++++ + _____________ _ __________
+
_
+++++++++++
❖ 压电晶片按 + - - + 粘贴时电路串联
C' C 2
U ' 2U Q' Q
++++++++++ + ___________ _
• 无电场作用时，电畴在晶体中分布 杂乱分布，极化相互抵消呈中性。
• 施加外电场时，电畴的极化方向发 生转动，趋向外电场方向排列。外 电场强度达到饱和程度时，所有的 电畴与外电场一致。
➢ 外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度 很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化 时是非压电体。
➢ 当外力去掉后又重新恢复不带电状态；
➢ 当作用力方向改变后，电荷极性也随之改变.
❖ 逆压电效应
➢ 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，
将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
➢ 压电元件可以将机械能
电能
也可以将电能
机械能
机 械 能
压电元件
电 能
7.2 压电材料
➢ 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。
7.2.3 新型压电材料
➢ 石英和压电陶瓷是性能较好的压电材料，但有共同的缺 点，密度大、硬、易碎，不耐冲击，难以加工。
➢ 新型合成高分子材料：PVF聚氟乙烯、 PVF2聚偏二氟 乙烯、PVC聚氯乙烯等能很好的克服这一缺陷，可以作 成轻小柔软的压电元件。
➢ 灵敏度比PZT（压电陶瓷）大17倍。
➢ 压电半导体材料，具有压电特性又有半导体特性， 可研制集成压电传感器系统。
• 当晶体不受力时（F=0），正负离子分布 在六边形顶角，电偶极矩互成1200夹角， 矢量和为零，晶体呈中性；
P1 P2 P3
• 当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩 形变，电偶极矩在X轴方向的分量由于
P1 , P2 , P3 ( P1 P2 P3 ) 0
• 出现上负下正电荷；
• 当晶体受沿Y 轴方向的应力时，Y 方 向压缩形变，电偶极矩在X轴方向的 分量由于
第7章 压电元件与超声波传感器
主要内容
7.1 压电效应 7.2 压电材料 7.3 测量电路 7.4 压电式传感器的应用 7.5 超声波传感器
概述
➢ 压电式传感器以电介质的压电效应为基础，外力作用下 在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量,是一种典型的 发电型传感器.
➢ 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测 量，在声学、医学、力学、Fra Baidu bibliotek航方面都得到广泛的应用。
➢ 压电材料可以分为两类： 压电晶体、压电陶瓷。
7.2.1 石英晶体
• 石英晶体特征 天然、人工晶体两种都属于单晶体 化学式为 —— SiO2，外形无论再小 都呈六面体结构
• 石英晶体沿各个方向的特征不同，需按特定方向切片。
压 电 晶 片
人工合成水晶
按特定方向切片
• 石英晶体沿各个方向的特征不同 （按特定方向切片）
➢ 这些材料有：(ZnS) (CdTe) (ZnO) (CdS) (GaAs)
7.3 测量电路
7.3.1 压电元件结构形式
➢ 在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷， 常常把两片、四片压电元件组成在一起使用。由于 压电材料有极性，因此存在连接方法，双片连接时：
❖ 压电晶片按 + - + - 粘贴时电路并联