压电式传感器.ppt
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压电式传感器_图文
④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望得 到宽的工作温度范围；
⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
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6.5 测量电路
6.4.1电压放大器
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。 其中
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6.3 压电材料
选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应 考虑以下几个方面：
①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数 ；
②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度 高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有振动 频率；
③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期望 减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；
相对轴向灵敏度的百分比表
示。
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6.2 影响压电式传感器主要因数
定义（用轴向灵敏度的百分比表示）： 最大横向灵敏度
Km=(Ky/Kz)100% =tg×100%;
一般横向灵敏度
Kt=(Kt/Kz)100% =tg×cos×100%;
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6.2 影响压电式传感器主要因数
产生横向灵敏度的必要条件 （1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力； （2）压电元件本身具有横向压电效应。 消除横向灵敏度的技术途径 （1）从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的
一致； （2）尽量Βιβλιοθήκη 取剪切型的力-电转换方式。一只较好
的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。
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《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
压电式传感器学生PPT
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。
压电式传感器优秀课件
Y
l
b
PXX与应力σXX成正比，即
石英晶体切片
PXXd11 XXd11F lX b
PXXd11 XXd11F lX b
t
Z
式中 FX——X轴方向的压力大小；
X
d11——压电系数，又称机电耦合系数
Y
石英晶体d11=2.3×10-12C N-1；
l、b——石英晶片的长度和宽度。
PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即
压电式传感器
5.1 压电效应
第5章 压电式传感器
正压电效应：某些电介质，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，同时在它的一
定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带
电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随
着改变。
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
F
等于零，即 P1＋P2＋P3＝0
P2
-
+
(a) FX=0
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产 生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此
时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为
(P1+P2+P3)X>0
在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
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）。
一、石英晶体压电效应
在晶体学中，可以把将 其用三根互相垂直的轴 表示，其中： 纵轴Z称为光轴； 通过六棱线而垂直于光
压电式传感器传感器技术及应用课件
在航空航天中的应用案例
压电式传感器在航空航天领域中可以 用于测量飞行器的压力、振动等参数， 保障飞行器的安全性和稳定性。
VS
例如，在飞机发动机中，压电式传感 器可以监测涡轮的工作状态，控制发 动机的运转，提高飞机的安全性能。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
它们能够提供连续、准确的生理数据， 帮助医生及时了解患者的病情和做出 准确的诊断。
航空航天
01
在航空航天领域，压电式传感器 主要用于监测飞机的气动性能、 发动机工作状态以及航天器的空 间环境等。
02
它们能够提供高精度、高可靠性 的数据，帮助保证飞机的安全和 航天器的正常工作。
03 压电式传感器的设计与制 造
02 压电式传感器的应用领域
工业自动化
压电式传感器在工业自动化领域中广泛应用于测量和控制，如压力、位移、振动和 加速度等物理量的测量。
它们能够提供高精度、高可靠性的数据，帮助实现自动化生产线的精确控制和优化。
压电式传感器还可以用于工业安全系统中，例如检测机器的异常振动或压力变化， 以预防潜在的故障或事故。
制作工艺
采用陶瓷工艺、薄膜工艺等制作技术 ，将压电材料制成具有特定结构和性 能的元件。
压电式传感器的封装与测试
封装材料
选择合适的封装材料，如环氧树脂、陶瓷等，以保护压电元件免受环境的影响。
测试方法
对封装后的传感器进行性能测试，包括灵敏度、频率响应、温度稳定性等方面 的测试。
04 压电式传感器的校准与标 定
压电式传感器传感器技术及应用课 件
目录
• 压电式传感器技术概述 • 压电式传感器的应用领域 • 压电式传感器的设计与制造 • 压电式传感器的校准与标定 • 压电式传感器的发展趋势与展望 • 实际应用案例分析
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。
第6章压电式传感器课件
②逆压电效应 在这些电介质的极化方向上施加 电场，它们也会产生变形，电场去掉后，变形随之消 失，这种现象称逆压电效应，或电致伸缩效应。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
6.1.1 压电效应
1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶
体 之 一 。 其 化 学 成 分 为 SiO2 ， 是 单晶体结构。它理想的几何形状 为正六面体晶柱，实际上两端为 晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z 轴称为光轴，在此方向不产生压 电效应。
为了使压电陶瓷具有压电效 应，就必须在一定温度下对其进 行极化处理，即给压电陶瓷加外 电场，使电畴规则排列，从而具 备压电性能。
6.1.1 压电效应
外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通 常取沿z轴方向。左图为施加外电场时的情形。外加 电场去掉后，电畴极化方向基本保持原极化方向，如 右图所示。因此，压电陶瓷的极化强度不恢复为零， 而是存在着很强的剩余极化强度。
6.1.2 压电材料
(4)温度性能 要求压电材料具有较高的居里 点，以便获得较宽的工作温度范围，这是因为居 里点是压电材料开始失去压电效应的温度。
(5)长期稳定性 要求压电材料的压电特性不 随时间蜕变。
6.1.2 压电材料
1.压电晶体 由晶体学可知，无对称中心的晶体通常具有压
电效应，具有压电效应的单晶体统称为压电晶体。 石英晶体是最典型而常用的压电晶体，其特点是
P ql
式中，q为电荷量；l为正负电荷 间的距离。
6.1.1 压电效应
当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生 拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3 的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而 在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面 上产生正电荷。
然而，电偶极矩的矢量和在 y轴和z轴的分量还是零，所以在 垂直于y轴和z轴的晶体表面上不 会出现电荷，d21＝d31＝0。
压电式传感器.完美版PPT
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
（一）石英晶体的压电效应
天然结构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，其中纵向轴Z－Z 称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X 轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴
（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。
通常把沿电轴X－X方向
P3
-
－ －
+－
X
在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。
可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X
方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。
晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0 时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图 （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 则不产生压电效应。
电极
＋＋＋＋ q ――――
q Ca
时，则两极板呈现一定 压电晶体
的电压，其大小为
U
a
q Ca
(a)
(b)Biblioteka 压电传感器的等效电路因此，压电传感器可等 效 为 电 压 源 Ua 和 一 个 电 容 器 Ca 的 串 联 电 路 ， 如 图 (a) ； 也 可 等 效 为 一 个 电荷源q和一个电容器Ca 的并联电路，如图(b)。
Ca Ua Ua＝q/ Ca
q Ca q ＝UaCa
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
传感器内部信号电荷无“漏损”，外电路负载无穷大时， 压电传感器受力后产生的电压或电荷才能长期保存，否 则电路将以某时间常数按指数规律放电。这对于静态标 定以及低频准静态测量极为不利，必然带来误差。事实 上，传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不可能 无穷大，只有外力以较高频率不断地作用，传感器的电 荷才能得以补充，因此，压电晶体不适合于静态测量。
压电式传感器ppt课件
压电效应最为显著；
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（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）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
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：
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，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 d33 F (5.3.3)
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
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 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地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
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。
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
图5.3.1石英晶体
Y轴： 机械轴或2轴，
该轴加力变形最大；
Z轴： 光轴或3轴，光线沿该轴通过晶体时不产生双折（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）方向的力作用下不产生压电效应。
晶体切片
图5.3.4 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，外部没有带电现象；
（b）在X轴方向压缩，A面呈现负电荷、B面呈现正电荷； （c）沿Y轴方向压缩，在A面和B面分别呈现正、负电荷 。
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：
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，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 d33 F (5.3.3)
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
两个压电片的联接方式
图5.3.9 两个压电片的联接方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 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地方。
（b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。适宜
用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很 高的地方。
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。
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
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
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。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
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
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。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
压电式传感器介绍课件
压电陶瓷：具有高灵敏度、 高稳定性和长寿命的特点
A
压电复合材料：结合多种材料 的优点，提高传感器的性能
C
B
压电薄膜：具有轻量化、柔 性化Fra bibliotek可弯曲的特点D
压电纳米材料：具有高灵敏度、 低功耗和快速响应的特点
集成化、微型化
01
集成化：将多个传 感器集成到一个芯 片上，实现多功能、
高精度的测量
02
微型化：减小传感 器的体积和重量， 提高便携性和可穿
压电材料：具有压电效应的材料，如石英、锆 钛酸铅等 传感器结构：由压电材料和电极组成，当受到 压力时，压电材料产生电荷，通过电极输出
信号处理：将输出的电荷信号进行放大、滤 波等处理，得到所需的测量信号
2
压电式传感器分 类
压电陶瓷传感器
工作原理：利用压电效应，将机械 能转化为电能
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、 响应速度快
微型化：压电式传感器将向微型化方向发展，体积更小， 重量更轻，便于携带和安装。
集成化：压电式传感器将实现多种功能集成，如压力、温 度、加速度等，提高测量精度和效率。
谢谢
和补偿
应用领域：汽车 安全气囊、地震
2 监测、航空航天
等领域
3
优点：高灵敏度、 宽频率响应、低 功耗、体积小
流量测量
压电式传感 器可用于测 量液体和气
体的流量
通过检测压 力变化来测
量流量
适用于各种 管道和设备， 如泵、阀门、
管道等
具有高精度、 高可靠性和 长寿命的特
点
4
压电式传感器发 展趋势
新型压电材料
应用领域：广泛应用于压力、加速 度、流量、位移等物理量的测量
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§2-1 压电体等效电路
F
q
电荷 放大器
U a q Ca
Ca
Ca q Ra
电荷源
Ua
Ra
电压 放大器
电压源
§2-2 电压放大器
1.等效电路
屏蔽线
F
Ca
电压 放大器
-A
Ua
Ra
Cc
屏蔽线
Ri
Ci
Ui
U sc
压电体
放大器
§2-2 电压放大器
2. 输入特性
F Fm sin t
Ua
Ca
-A
Ui j R K ( j ) d 33 u 1 j R (Ca Ci Cc ) F
90
3
0 3 Kum K0
0
0
§2-3 电荷放大器
1. 工作原理
CF
A0 104
CF
RF CF 1
RF
-A
-A
q
U sc
q
Ca R a
电荷源
U
U sc q CF
§2-3 电荷放大器
2. 工作频限
1 fL 2 R f C f
1 fH 2 Rc (Ca Cc )
Ch9 压电式传感器
力相关非电量 压电效应 逆压电效应 电量
机械能 压电晶体
压电材料 压电陶瓷 压电聚合物
电能
§1 压电效应
§1-1 现象
极化面 压电体 应力T
T
Q + +++++
各向异性
P
T
面电荷
形变
电极化P
D=dT
压电系数，张量
§1-2 石英晶体的压电效应（1）
石英晶体 Z
光轴
F 纵向 Y
+ +
m
预紧螺母 质量块 压电片
a
基座 被测体
§3-3 应用实例
4. 压电式血压计
充气带
塑料块
血压
敏感振膜
基座
压电片 输出
§3-3 应用实例
5. 压电式流量计
流量显示 测量电路 时差法
压电探头B
发射
V t
相位差法
L
接收
V 发射
接收
V
频率法
压电探头A
V f
10
1
10
4
Hz
180KHz
§3 压电传感器及其应用
§3-1 应用类型 传感器类型 力敏 热敏 光敏 声敏 生物功能 触觉 触觉 视觉 听觉 力 热 光 声 转换 电 电 电 电
§3 压电传感器及其应用
§3-2 串并联结构 串联
导 电 胶
并联
P P
Q ,U ,C
金 属 片
P P
§1-3 压电陶瓷的压电效应
E
2. 压电陶瓷的极化
去掉 E
剩余 电致 伸长 伸长
Z
piz 0
pi
§1-3 压电陶瓷的压电效应
3. 压电效应
F
电极
自由 电荷
P
束缚 电荷
P
F
q d33 F
P
§1-4 压电材料及特性参数
压电晶体： SiO2 , LiNbO3 , LiTaO3
Q ,U ,C
（1）电压输出 （2）高输入阻抗 （3）高频信号测量
（1）电荷输出 （2）低频信号测量
§3-3 应用实例
1. 压电打火
F
PZT PZT
金属尖端
§3-3 应用实例
2. 压电压力传感器
引线
壳体 测量电路 基座 压电片 受压膜片
导电片
P
§3-3 应用实例
3. 压电加速度传感器
F ma
1 R(Ca Cc Ci ); 0 ; K0 C d33 a Cc Ci
C R
Ui
U sc
0 K 0 1 j 0
j
§2-2 电压放大器
3. 动态特性
Kum K 0
0
1 ( 0 )
2
K um
K0
arctan( 0 )
2
BaTiO3 , PbTiO3 , Pb (Tix Zr1 x )O3 压电陶瓷：
压电聚合物： PVF , PVF2 , PVC 压电复合材料： PVF2 PZT , PVF2 BT （1）压电常数 （2）介电常数 特性参数 （3）机电耦合系数 （4）居里点 （5）弹性常数
§2 压电式传感器的测量电路
压电效应
X
横向 压电效应
X
电轴
Y
机械轴
§1-2 石英晶体的压电效应（2）
2
Y
微观结构
Si
4
Y
+
2O
P P3 1 P2
X
+
X
P P2 P 0 1 3
+
§1-2 石英晶体的压电效应（3）
Fy P 1 +
Y +P
Fy
Y
+
3
Fx
X
Fx
X
P2 +
+
+
( P P2 P ) 0 1 3 x Fx 0 Fy 0
,
( P P2 P ) x 0 1 3
Fx 0 Fy 0
,
§1-2 石英晶体的压电效应（4）
q
l
纵向压电效应：
t
b
X
Z
Y
横向压电效应： q xx d11Fx
qxy d11 l t Fy
§1-3 压电陶瓷的压电效应
1. 压电陶瓷结构
电畴
晶粒 晶界
pi
pi 0
F
q
电荷 放大器
U a q Ca
Ca
Ca q Ra
电荷源
Ua
Ra
电压 放大器
电压源
§2-2 电压放大器
1.等效电路
屏蔽线
F
Ca
电压 放大器
-A
Ua
Ra
Cc
屏蔽线
Ri
Ci
Ui
U sc
压电体
放大器
§2-2 电压放大器
2. 输入特性
F Fm sin t
Ua
Ca
-A
Ui j R K ( j ) d 33 u 1 j R (Ca Ci Cc ) F
90
3
0 3 Kum K0
0
0
§2-3 电荷放大器
1. 工作原理
CF
A0 104
CF
RF CF 1
RF
-A
-A
q
U sc
q
Ca R a
电荷源
U
U sc q CF
§2-3 电荷放大器
2. 工作频限
1 fL 2 R f C f
1 fH 2 Rc (Ca Cc )
Ch9 压电式传感器
力相关非电量 压电效应 逆压电效应 电量
机械能 压电晶体
压电材料 压电陶瓷 压电聚合物
电能
§1 压电效应
§1-1 现象
极化面 压电体 应力T
T
Q + +++++
各向异性
P
T
面电荷
形变
电极化P
D=dT
压电系数，张量
§1-2 石英晶体的压电效应（1）
石英晶体 Z
光轴
F 纵向 Y
+ +
m
预紧螺母 质量块 压电片
a
基座 被测体
§3-3 应用实例
4. 压电式血压计
充气带
塑料块
血压
敏感振膜
基座
压电片 输出
§3-3 应用实例
5. 压电式流量计
流量显示 测量电路 时差法
压电探头B
发射
V t
相位差法
L
接收
V 发射
接收
V
频率法
压电探头A
V f
10
1
10
4
Hz
180KHz
§3 压电传感器及其应用
§3-1 应用类型 传感器类型 力敏 热敏 光敏 声敏 生物功能 触觉 触觉 视觉 听觉 力 热 光 声 转换 电 电 电 电
§3 压电传感器及其应用
§3-2 串并联结构 串联
导 电 胶
并联
P P
Q ,U ,C
金 属 片
P P
§1-3 压电陶瓷的压电效应
E
2. 压电陶瓷的极化
去掉 E
剩余 电致 伸长 伸长
Z
piz 0
pi
§1-3 压电陶瓷的压电效应
3. 压电效应
F
电极
自由 电荷
P
束缚 电荷
P
F
q d33 F
P
§1-4 压电材料及特性参数
压电晶体： SiO2 , LiNbO3 , LiTaO3
Q ,U ,C
（1）电压输出 （2）高输入阻抗 （3）高频信号测量
（1）电荷输出 （2）低频信号测量
§3-3 应用实例
1. 压电打火
F
PZT PZT
金属尖端
§3-3 应用实例
2. 压电压力传感器
引线
壳体 测量电路 基座 压电片 受压膜片
导电片
P
§3-3 应用实例
3. 压电加速度传感器
F ma
1 R(Ca Cc Ci ); 0 ; K0 C d33 a Cc Ci
C R
Ui
U sc
0 K 0 1 j 0
j
§2-2 电压放大器
3. 动态特性
Kum K 0
0
1 ( 0 )
2
K um
K0
arctan( 0 )
2
BaTiO3 , PbTiO3 , Pb (Tix Zr1 x )O3 压电陶瓷：
压电聚合物： PVF , PVF2 , PVC 压电复合材料： PVF2 PZT , PVF2 BT （1）压电常数 （2）介电常数 特性参数 （3）机电耦合系数 （4）居里点 （5）弹性常数
§2 压电式传感器的测量电路
压电效应
X
横向 压电效应
X
电轴
Y
机械轴
§1-2 石英晶体的压电效应（2）
2
Y
微观结构
Si
4
Y
+
2O
P P3 1 P2
X
+
X
P P2 P 0 1 3
+
§1-2 石英晶体的压电效应（3）
Fy P 1 +
Y +P
Fy
Y
+
3
Fx
X
Fx
X
P2 +
+
+
( P P2 P ) 0 1 3 x Fx 0 Fy 0
,
( P P2 P ) x 0 1 3
Fx 0 Fy 0
,
§1-2 石英晶体的压电效应（4）
q
l
纵向压电效应：
t
b
X
Z
Y
横向压电效应： q xx d11Fx
qxy d11 l t Fy
§1-3 压电陶瓷的压电效应
1. 压电陶瓷结构
电畴
晶粒 晶界
pi
pi 0