锆钛酸铅系压电陶瓷PZT

r 0 S Ca
式中 s -- 极板面积 r -- 压电材料相对介电常数 0 -- 真空介电常数 δ-- 压电元件厚度
压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正负电 荷Ｑ，压电元件的开路电压Ｕ为
U Q / Ca
等效电路
实际等效电路
电荷等效电路
电压等效电路
测量电路
压电传感器的测量系统如图
q dijσ
（dij——压电常数）
压电常数下标的含义： • 第一个下标：表示极化方向， i=1,2,3分别代表X，Y，Z轴； • 第二个下标：表示作用力的方向， j=1,2,3,4,5,6分别代表沿X轴，Y轴，Z轴方向的单向应力和 垂直于X轴，Y轴，Z轴平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作 用的剪切力；
前置放大器的作用： 放大压电元件的微弱信号； 高阻抗输入变为低阻抗输出。
１. 电压放大器
电压输出型压电传感器测量电路
２.电荷放大器
电荷输出型压电传感器测量电路
５.３ 压电式传感器的应用
压电元件是一种典型的力敏感元件。具有体积小、
重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏
度和信嗓比高等优点，应用广泛。在检测技术中， 常用来测量力和加速度等。 它的主要缺点是无静态输出，要求有很高的输出阻 抗，且一些压电材料的工作温度不高。
第5章 压电式传感器
本章主要介绍以下内容: 1、压电式传感器工作原理
2、等效电路和测量电路
3、压电式传感器的应用 重点是掌握压电式传感器的转换原理，两种放大 电路的分析及传感器的应用。
５.１ 工作原理
１、压电效应及压电材料
对于某些晶体或陶瓷：
当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现 象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又恢复到不带电状态； 当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。 上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加 一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离， 变形也随着消失，称为逆压电效应。
⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
分类： 单晶体 • 石英（SiO2）：最早使用，天然晶体，稳定，高 强度，温度稳定性好，但压电常数小； • 水溶性压电晶体（酒石酸钾钠、硫酸锂等）： 压电常数大，但受温、湿度影响大；
• 铌酸锂晶体：耐高温、压电性能和时间稳定性好，
但质脆，热冲击性差；
多晶体（压电陶瓷） • 钛酸钡压电陶瓷：压电常数高，价格便宜，但机械
石英晶体
Qx d11 Fx
石英晶体压电效应示意图 沿X轴或Y轴作用力，产生压电效应； 沿Z轴作用力，不产生压电效应
压电片受力电荷极性
纵向压电效应 （沿X轴作用力）
横向压电效应 （沿Y轴作用力）
石英晶体受力方向与电荷极性的关系
压电陶瓷
压电陶瓷的极化过程和压电原理图
压电方程与压电系数
压电元件的连接形式
C 2C , U U , Q 2Q
C C / 2 ,U 2U , Q Q
压电元件受力后的变形方式：
５.２ 等效电路和测量电路


压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量 的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。 压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料 为电介质的电容器，其电容量为：
强度较差； • 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）：性能教稳定，压电常 数较高； • 铌酸盐系压电陶瓷：居里点较高和机械强度较高； • 铌镁酸铅压电陶瓷：居里点和压电常数较高， 可在高温及高压下工作。 有机压电材料（压电橡胶、塑料等） 柔软、不易破碎，可大量生产，面积较大
常用压电材料性能参数
２、压电式传感器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
剪切力的作用方向
压电材料
对压电材料的要求：
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； 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；
１、压电式测力传感器
２、压电式加速度传感器
F ma
３、压电式报警器
４、压电式测量均匀压力传感器
压电式压力传感器