压电式力传感器 ppt课件

直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
剩余伸长
(a)极化处理前
(b)极化处ppt理课件中 (c)极化处理后
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但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时，却无 法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶瓷片内的极化强 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，它起着屏蔽和抵消陶瓷 片内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片内的极 化程度，如图。
压电式力传感器
一、压电效应 二、压电材料 三、压电式传感器的测量电路 四、压电式传感器的应用
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概述
➢ 压电式传感器是一种典型的发电型传感器， 以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，从而实现非电量测量。 ➢ 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、导航 方面都得到广泛的应用。 ➢压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信 噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。
应。
如果沿Z轴方向上施加作用力FZ，因为晶体沿X方向和 沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电 荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。
表明：沿Z（即光轴）方向加作用力FZ晶体不产生压电
效应。
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Z
晶体切片：从石英晶体上沿轴线
切下的平行六面体薄片。
t
Y
当晶片受到沿X轴方向的压力FX b
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压电式传感器不适合于静态参数测量
Ca
q
Ua
Ua＝q/ Ca
Ca
q ＝UaCa
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路 压电传感器等效电路
压电传感器的完整pp等t课件效电路
Ca传感器的固有电容 Ci 前置放大器输入电容 Cc 连线电容 Ra传感器的漏电阻 Ri前置放大器输入电阻
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3、实际等效电路 压电元件在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
正压电效应示意图
（实线代表形变前的情况， 虚线代表形变后的情况）
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同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图， 由于电场的方向与极化强度的方向相同，所以电场的作用使极化 强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，就 是说，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变（图中虚线）。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，就是逆压电效应。
（四）、高分子压电材料
高分子压电薄膜：是某些高分子聚合物经延展和拉伸
以及电场极化后具有压电性能的材料，如聚二氟乙烯
优点：耐冲击、不易破碎、稳定性好、频带宽。
高分子压电陶瓷薄膜：是在高分子化合物中加入压电
陶瓷粉末制成的，这种复合材料保持了高分子压电陶
瓷薄膜的柔软性，又具有较ppt课高件 的压电系数。
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三、压电式传感器的测量电路
（一）等效电路
当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作
用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电
荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，也可把它视
为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，其
电容量为
电极
Ca
S
d
r0S
d
当两极板聚集异性电荷
＋＋＋＋ q ――――
（即方S向i4+和则2O不2-）产正生压电效应。
好分布在正六边形 顶角上，形成三个 互 成 120º 夹 角 的 偶 极 矩 P1 、 P2 、 P3 ， 电偶极矩的矢量和 等于零，即
P1＋P2＋P3＝0
Y
FX +
-
+ －FX
+ +
+ +
P1
- P2
P3
-
－ －
+－
X
（P1+P2+P3）X<0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
自由电荷
极化方向 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
ppt课件 的自由电荷示意图
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如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷
片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、负束缚电荷之间的 距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电 荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷 片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离 变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出 现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变 为电能的现象，就是正压电效应。
接，如下图，因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc，放大器 的输入电阻R i , 输入电容C i以及压电元件的泄漏电阻Ra。
连接电缆
测量
A
电路
前置放大器
压电 元件
压电传感器实际连接电路
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这样，压电传感器在测量系统中的实际等效电路， 如图6 -10所示。
(c) FX>0
即在X轴p的pt课正件 向出现负电荷，在Y、Z轴11方向
则不出现电荷。
当晶体在Y轴方向力FY作用时： 当FY＞0时，晶体的形变与在X轴方向力FX＜0 相似； 当FY＜0时，则与在X轴方向力FX ＞ 0 相似。
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方向则不产生压电效
1、种类：
石英晶体：如石英等； 压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体：如硫化锌、碲化镉等； 高分子压电材料：聚二氟乙烯等。
2、对压电材料特性要求：
①转换性能：要求具有较大压电常数；
②机械性能：机械强度高、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：具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布
“逆压电效应”。
•压电元件可以将机械能——转化成电能
➢ 也可以将电能——转化成机械能。
正压电效应
机 械 能
压电元件
电 能
逆压电效ppt课应件
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7
超声波传感器
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1、石英晶体的压电效应
石英晶体的理想外形是
一个正六面体，在晶体
学中它可用三根互相垂
直的轴来表示，其中纵
Z
Z
向轴Z－Z称为光轴；经
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2
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
压电警号 压电陶瓷p位pt课移件 器
压电秤重浮游计
3
一、压电效应
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； ➢ 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，电荷的极性也随之改变；
1968年出现了多种压电半导体材料，如硫化锌、 碲化镉、氧化锌、硫化镉、碲化锌和砷化镓等。
特点：既有压电特性，又有半导体性质，因此，可研
制压电传感器，也可制作半导体电子器件，还可将二 者结合，研制新型集成压电传感器。这种力敏器件具 有灵敏度高，响应时间短等优点。此外用ZnO作为表 面声波振荡器的压电材料，还可测温度等参数。
压 电 陶 瓷 外 形
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（一） 石英晶体
石英是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常 数和压电系数的温度稳定性好。在20℃～200℃范围内， 温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当到 573℃时，压电特性完全失去，这就是它的居里点。
石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能好。 但价格昂贵，且压电系数低。p因pt课此件 一般仅用于标准仪器或要21求较 高的传感器中。
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。
组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，
如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)
中 正 六 边 形 排 列 ， 图 中 “ ＋ ” 代 表 Si4+ ， “ － ” 代 表
2O2-。
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+结作正P--1论用(a、P)：时2FYPX负+=+3当，0 离-晶它子体在X 受X方到FX－－－－向沿+(产b--X)P1F生（PX2Y<P+0+即正3 - ++++压电FXX电轴晶收方(((即正向效）PPP向则电在缩体111应方+++的不荷PPP，X沿，向轴222分出，X电+++的方PPP量现而的在偶333正向))为电Y)力Y极XY、Z向>将荷=、=矩Z0F00。出产轴Z在X现生方X
电容的影响并获得良好的低频特性；
④环境适应性强：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；
⑤时间稳定性：要求压ppt课电件性能不随时间变化。 15
2．压电陶瓷压电效应产生的机理
压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料， 它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。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）。
这种现象称正压电效应
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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。
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❖ 压电效应是可逆的 ➢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
（Zr、Ti）O3。它与钛酸钡相比，压电系数更大，居里 温度在300℃以上，各项机电参数受温度影响小，时间 稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量
元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能
的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传
感器中应用最广泛的压电材ppt课料件。
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（三） 、压电半导体
（二） 压电陶瓷
1、 钛酸钡压电陶瓷
钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化 钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。
它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石
英晶体的50倍）。不足之处是居里温度低（120℃）， 温度稳定性和机械强度不如石英晶体。
2、 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 锆 钛 酸 铅 是 由 PbTiO3 和 PbZrO3 组 成 的 固 溶 体 Pb
用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光
轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。
压电效应结论
①无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变） 与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；
②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方 向上一定存在逆压电效应；
③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。
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二、压电材料
压电晶体
q Ca
时，则两极板呈现一定
的电压，其大小为
Ua
q C appt课件
(a)
(b)
压电传感器的等效电路
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➢ 压电元件电荷Q的开路电压U可等效为电源与电容串联 ➢或等效为一个电荷源Q和电容Ca并联。
U Q Ca
等效电容
Ca
S
d
Ca Ua Ua＝q/ Ca
q Ca
q ＝UaCa
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路 压电传感器等效电路
过正六面体棱线，并垂
直于光轴的X－X轴称为
Y
电轴；与X－X轴和Z－Z X
X
轴同时垂直的Y－Y轴
(a)
（垂直于正六面体的棱
石英晶体
面）称为机械轴。
ppt课件(a)理想石英晶体的外形
Y
(b) (b)坐标系
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Y
Y
-
+百度文库
X
X
+
-
-
+
(a)
(b)
硅氧离子的排列示意图
(a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影
逆压电效应示意图 （实线代表形变前的情况， Ｅ 虚线代表形变后的情况）
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－－－－－－
＋＋＋＋＋＋ 电
极化
场
方向
方
－－－－－－ 向
＋＋＋＋＋＋
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由此可见，压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存 在自发极化。这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后 ，陶瓷内即存在剩余极化强度。如果外界的作用（如压力或电场 的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外 ，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷 ，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电 现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷 的释放或补充的结果。
X
作用时，晶体切片厚度t将产生
变形，并在与X轴垂直的平面上 产生电荷QXX，即
l
石英晶体切片
QXX d11FX
X FX ++ ++
－－ － －
(a)
X FX
－－－－
X
FY －－－－
++ ++ (b) ppt课件
++ ++ (c)
X
FY + + + +
－－ － －
(d)
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通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应 称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作