压电陶瓷-电子科技大学
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第 4章
压电式力学量传感器
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1
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6
பைடு நூலகம்
压电式传感器的工作原理 压电材料 压电式传感器的等效电路 压电式传感器的信号调节电路 压电式加速度传感器 压电式测力传感器
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2
4.1 压电式传感器的工作原理
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4.2
•
① ②
压电材料
选用压电材料应考虑以下几方面：
转换性能：具有较大的压电常数； 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高、刚度大、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，以期减弱外部分布电 容的影响并获得良好的低频特性； ④ 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温 度范围； ⑤ 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
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7
产生压电效应的原因：（3）在z轴方向受力时 在z轴方向受力时，由于硅离和氧 离于是对称平移、故
在表面上没有电荷呈现，因而没有压电效应。
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压电常数和表面电荷的计算
压电元件在受到力作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。其计算公式如下
①
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6
产生压电效应的原因：(2)y轴上受力 如果沿 y 轴方向上压缩，如图 7—4(c) 所示，硅离子 3 和氧离子 2 以 及硅离子 5 和氧离子 6 都向内移动同一数值，故在电极 C 和 D 上仍 不呈现电荷，而由于相对把硅离子l和氧离子4向外挤，则在A和B 表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A和B上电 荷符号与前者相反。
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5
产生压电效应的原因：(1)x轴上受力 如果在x轴方向压缩，如图7—4(b)所示，则硅离子1 就挤入氧离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5 之间。结果在表面A上呈现负电荷、而在表面B呈现正 电荷。如果所受的力为拉伸 ，则硅离子1和氧离子4向 外移，在表面A和B上的电荷符号就与前者正好相反。
•概念：压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料
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压电晶体
① 石英。它是一种天然晶体，现在已有高化学 纯度和结构完善的人工合成的石英晶体，压 电系数 d11＝2 ．31×10-12C／ N ．在几百度的 温度范围内，压电系数不随温度而变。 ② 水熔性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸 钾钠，酒石酸乙烯二铵 ( 简称 EDT) ，酒石酸 二钾(简称DKT)，硫酸理 ③ 属于正方晶系的有磷酸二氢钾 (简称KDP)， 磷酸二氢氨 (N 简称 ADP) ，砷酸二氢钾 ( 简称 KDA)．砷酸二氢氨(简称ADA)。
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压电陶瓷
① 钛酸钡 (BaTiO3) 压电陶瓷。具有比较高的压电系效 (d33 ＝ 107×10 -12C／N)和介电常数，机械强度不及石英。 ② 锆 钛 酸 铅 系 压 电 陶 瓷 (PZT) ． 压 电 系 数 较 高 (d33 ＝ (200500)× -12C／N )，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一二种微量元素，如 La ， Nb， Sb， Sn， Mn， W等，可以获得不同性能的 PZT 材料。 ③ 铌酸盐系压电陶瓷。 这一系中是以铁电体铌酸钾和铌酸铅 为基础的。铌酸铅的介电常数低。在铌酸铅中用钡或锶替 代一部分铅．可引起性能的根本变化，从而得到具有较高 机械品质因素Qm的铌酸盐压电陶瓷。铌酸钾是通过热压过 程制成的，特点是适用于作10-40MHz的高频换能器。 ④ 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)．具有较高的压电系数(d33 ＝800900×10 -12C／ N )，在压力大至700kg／cm2时仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。 •概念：当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生 变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新 回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压 电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石
英、钛酸钡、锆钛酸铅等
其中第一个角注i表示晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂直于x袖(y轴
或z铀)时，记作i＝1(或2或3)。 ② 第二个下角注j＝1或2，3和 4，5，6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向 作用的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内(即yz平面、xz平面、 xy平面)作用的剪切力。 ③ 单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自 旋转轴的正向看去使其I、II象限的对角线伸长。
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天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。 在直角坐标系中． z轴表示其纵向轴，称为光轴； x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴； y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。 通常把沿电轴 (x 袖 ) 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 轴 ) 方向的力作用下产生电荷的 压电效应称为“横向压电效应”； 在光轴(z轴)方向受力时则不产生压电效应
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• ① ② ③ ④ ⑤ ⑥
由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意义的石英晶 体变形方式有： 厚度变形〔简称为TE方式)，如图 (a)所示。 长度变形(简称LE方式）。如图 (b)所示， 面剪切变形(简称FS方式)。如图 (d)所示。 厚度的切变形(简称TS方式)。如图 (c)所示。 弯曲变形(简称BS方式)。 体积变形(简称VE方式)。
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•特点： •Ⅰ 当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变 形时，其表面上会产生电荷； •Ⅱ 若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态； •Ⅲ 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比； •Ⅳ 如对晶体施加一负变电场，晶体本身将产生机械变形，这 种现象称为逆压电效应
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压电式传感器的工作原理 压电材料 压电式传感器的等效电路 压电式传感器的信号调节电路 压电式加速度传感器 压电式测力传感器
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4.1 压电式传感器的工作原理
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4.2
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① ②
压电材料
选用压电材料应考虑以下几方面：
转换性能：具有较大的压电常数； 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高、刚度大、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，以期减弱外部分布电 容的影响并获得良好的低频特性； ④ 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温 度范围； ⑤ 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
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产生压电效应的原因：（3）在z轴方向受力时 在z轴方向受力时，由于硅离和氧 离于是对称平移、故
在表面上没有电荷呈现，因而没有压电效应。
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压电常数和表面电荷的计算
压电元件在受到力作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。其计算公式如下
①
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产生压电效应的原因：(2)y轴上受力 如果沿 y 轴方向上压缩，如图 7—4(c) 所示，硅离子 3 和氧离子 2 以 及硅离子 5 和氧离子 6 都向内移动同一数值，故在电极 C 和 D 上仍 不呈现电荷，而由于相对把硅离子l和氧离子4向外挤，则在A和B 表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A和B上电 荷符号与前者相反。
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产生压电效应的原因：(1)x轴上受力 如果在x轴方向压缩，如图7—4(b)所示，则硅离子1 就挤入氧离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5 之间。结果在表面A上呈现负电荷、而在表面B呈现正 电荷。如果所受的力为拉伸 ，则硅离子1和氧离子4向 外移，在表面A和B上的电荷符号就与前者正好相反。
•概念：压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料
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压电晶体
① 石英。它是一种天然晶体，现在已有高化学 纯度和结构完善的人工合成的石英晶体，压 电系数 d11＝2 ．31×10-12C／ N ．在几百度的 温度范围内，压电系数不随温度而变。 ② 水熔性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸 钾钠，酒石酸乙烯二铵 ( 简称 EDT) ，酒石酸 二钾(简称DKT)，硫酸理 ③ 属于正方晶系的有磷酸二氢钾 (简称KDP)， 磷酸二氢氨 (N 简称 ADP) ，砷酸二氢钾 ( 简称 KDA)．砷酸二氢氨(简称ADA)。
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压电陶瓷
① 钛酸钡 (BaTiO3) 压电陶瓷。具有比较高的压电系效 (d33 ＝ 107×10 -12C／N)和介电常数，机械强度不及石英。 ② 锆 钛 酸 铅 系 压 电 陶 瓷 (PZT) ． 压 电 系 数 较 高 (d33 ＝ (200500)× -12C／N )，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一二种微量元素，如 La ， Nb， Sb， Sn， Mn， W等，可以获得不同性能的 PZT 材料。 ③ 铌酸盐系压电陶瓷。 这一系中是以铁电体铌酸钾和铌酸铅 为基础的。铌酸铅的介电常数低。在铌酸铅中用钡或锶替 代一部分铅．可引起性能的根本变化，从而得到具有较高 机械品质因素Qm的铌酸盐压电陶瓷。铌酸钾是通过热压过 程制成的，特点是适用于作10-40MHz的高频换能器。 ④ 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)．具有较高的压电系数(d33 ＝800900×10 -12C／ N )，在压力大至700kg／cm2时仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。
压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。 •概念：当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生 变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新 回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压 电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石
英、钛酸钡、锆钛酸铅等
其中第一个角注i表示晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂直于x袖(y轴
或z铀)时，记作i＝1(或2或3)。 ② 第二个下角注j＝1或2，3和 4，5，6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向 作用的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内(即yz平面、xz平面、 xy平面)作用的剪切力。 ③ 单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自 旋转轴的正向看去使其I、II象限的对角线伸长。
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天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。 在直角坐标系中． z轴表示其纵向轴，称为光轴； x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴； y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。 通常把沿电轴 (x 袖 ) 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 轴 ) 方向的力作用下产生电荷的 压电效应称为“横向压电效应”； 在光轴(z轴)方向受力时则不产生压电效应
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• ① ② ③ ④ ⑤ ⑥
由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意义的石英晶 体变形方式有： 厚度变形〔简称为TE方式)，如图 (a)所示。 长度变形(简称LE方式）。如图 (b)所示， 面剪切变形(简称FS方式)。如图 (d)所示。 厚度的切变形(简称TS方式)。如图 (c)所示。 弯曲变形(简称BS方式)。 体积变形(简称VE方式)。
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•特点： •Ⅰ 当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变 形时，其表面上会产生电荷； •Ⅱ 若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态； •Ⅲ 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比； •Ⅳ 如对晶体施加一负变电场，晶体本身将产生机械变形，这 种现象称为逆压电效应