第六章 压电式传感器

电能
–– – – –
+++++ 电
Ｅ
极化方向
场 方
–––– –
向Hale Waihona Puke Baidu
++ + + +
同向：伸长现象 电能
反向：缩短现象 压电陶瓷的逆压电效应
机械能
四、压电材料
类别
压电单晶 体
材料
石英晶 体
成分
SiO2
特性
介电和压电常数 的温度稳定性好
压电陶瓷 人造多晶体
钛酸钡（BaTiO3） 压电系数很高， 锆钛酸铅（PZT） 品种多，性能各异
它具有“电畴”结构。 各电畴的极化方向是无 规则的，自发极化的作 用相互抵消，总极化强 度为0。 原始的压电陶瓷，不具有压电性。
三、压电陶瓷压电效应
极化处理：在一定温度下，对压电陶瓷施加强电场， 使电畴的自发极化方向按外加电场的方向取向。
未极化前：不具压电性
E 加外电场
撤销外电场
三、压电陶瓷压电效应
极化后：具有压电性 压电陶瓷内部极化强度不为0。
自由电荷
–– – – –
++ + + +
束缚电荷
––– ––
++ + + +
自由电荷
压电陶瓷片整体上表现 为电中性。
三、压电陶瓷压电效应
F
–– – – –－ ++ + + +
极化方向
+ – – – – –
++ + + +
加力F：放电现象 机械能
撤消F：充电现象 压电陶瓷的正压电效应
放大
压电传感器输出端要接入一个输入阻抗很高的前 置放大器，然后再接入一般的放大器。
前置放大器：高输入阻抗（Ri高）；低输出阻抗。
前置放大器作用： ⑴ 放大传感器输出微弱信号。 ⑵ 将传感器的高输出阻抗变换成低输出阻抗。
前置放大器有两种： ◆电压放大器 ◆电荷放大器
（一）电压放大器
Cs
Us
Rs
Ri Cc
－ A
+
Ci
传感器与测量电路连接应考虑: ●电缆电容Cc ; ●前置放大器的输入电容Ci和输入电阻Ri 。
Cs
Us
Rs
Ri Cc
－ A
+
Ci
R Rs Ri Rs Ri
C Cc Ci
Cs Us
－ A
+
R C
Cs Us
－ +A
R C
沿电轴方向施加作用力：
F Fm sin t
产生电荷：
Qs dsF
二、石英晶体的压电效应
3.当石英晶体在Y轴方向上受到压力Fy时：
(P1 P2 P3)x 0
结果：
(P1 P2 P3)y 0 (P1 P2 P3)z 0
A面上呈现正电荷,B面上呈现负电荷
二、石英晶体的压电效应
4.当石英晶体在Z轴方向上受到压力时：
(P1 P2 P3)x 0 (P1 P2 P3)y 0 (P1 P2 P3)z 0
加作用力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷：
Qy
d12
a b
Fy
d
12
——y轴方向受力的压电系数；
晶片厚 度
d12 d11
二、石英晶体的压电效应
石英晶体压电效应机理
石英晶体：SiO2
1.当石英晶体没有受 到外力作用时：
“+ ” 代表硅离子 Si4+ “ ” 代表氧离子 2O2–
正负电荷中心重合
P1 P2 P3 0
晶体表面不产生电荷， 呈电中性。
_
二、石英晶体的压电效应
2.当石英晶体在X轴方向上受到压力Fx时：
(P1 P2 P3)x 0
结果：
(P1 P2 P3)y 0 (P1 P2 P3)z 0
A面上呈现负电荷，B面上呈现正电荷
石英晶体在X轴方向上受到拉力时的情况
将机械能转变为电能的现象称为压电效应。
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
F
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
F
一、压电效应
★逆压电效应：在某些物质的极化方向上施加 电场，会产生变形，在去掉外加电场后，该物 质的变形随之消失。（电致伸缩效应）
机械能
正压电效应 压电材料 逆压电效应
电能
二、石英晶体的压电效应
石英晶体，具有规则的几何外形，其形状为 六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。
第 6 章 压电式传感器
压电式传感器：是一种利用材料的压电效应， 将力、加速度等参数转换成电荷或电压变化的 传感器装置。它是典型的有源传感器。
第一节 压电效应
一、压电效应
★压电效应：某些物质沿一定方向受到外力作用产
生形变时，会在相对的两个表面上产生异号电荷；
当去掉外力后，又重新回到不带电的状态，这种
新型压电 材料
压电半导体
压电高分子 聚合物
氧化锌（ZnO） 压电和半导体两种 硫化镉（CdS） 特性，易于集成
聚偏二氟乙烯 （PVDF）
柔韧性好 与人体声阻抗接近
第二节 压电传感器的等效电路和测量电路
一、等效电路 当压电传感器中的压电元件受到外力作用
时，会在电极面上产生电荷。
电极
＋＋＋＋ ――――
正负电荷中心始终重合，所以晶体表面无电荷产生。 沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。
二、石英晶体的压电效应
纵
向
力不同
压
电
效
应
x轴方向受力：压力
x轴方向受力：拉力
面不同
面不同
横
向
力不同
压
电
效
应
y轴方向受力：压力
y轴方向受力：拉力
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三、压电陶瓷压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，它 由无数细微的单晶体组成。
z b
x a
cy
二、石英晶体的压电效应
z b
x a
cy
纵向压电效应：当在电轴方向施加作用力时，在与x 轴垂直的平面上将产生电荷：
Qx d11 Fx
d11 ——x轴方向受力的压电系数；
极间电压
Ux
Qx Cx
d 11 Cx
Fx
二、石英晶体的压电效应
z b
x a
cy
横向压电效应：若在同一切片上，沿机械轴y方向施
传感器开路电压：
Us
Qs Cs
dsF Cs
ds Fm Cs
sin t
Cs Us
－ +A
R C
经过测量电路送入 前置放大器输入端 的电压：
1 R
Ui
1
jC dsFm sin t
1 R 1 R Cs
1
jCs
jC
1 R
jC
Qs
压电晶体
Cs
S CCe s
压电晶片
静电荷发生器 平行板电容器
压电传感器可等效为：
(1)一个电荷源Qs和一个电容器Cs的并联电路
Qs
Cs
Us
Qs Cs
(2)一个电压源Us和一个电容器Cs的串联电路
Cs
压电元件不适
Us
RL
合于静态测量。
二、测量电路
压电传感器的特点：高输出阻抗；低输出信号。
阻抗变换
二、石英晶体的压电效应
石英晶体有三个晶轴 Z轴：光轴，在Z轴方向上没有压电效应。 X轴：电轴，经过晶体棱线，沿X轴施加作用力后的压
电效应称为纵向压电效应。 Y轴：机械轴，垂直于棱面，沿Y轴施加作用力后产生
电荷的压电效应称为横向压电效应。
二、石英晶体的压电效应
从晶体上，沿y方向切下一块如图所示的晶体片