压电式传感器

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1、第5章压电式传感器压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。5.1压电式传感器的工作原理5.2压电材料的主要特性5.3压电元件常用的结构形式5.4压电式传感器的信号调理电路5.5压电式传感器的应用5.1压电式传感器的工作原理一、压电效应二、压电材料三、石英晶体的压电机理四、压电陶瓷的压电机理一、压电效应当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。

2、把这种机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。反之，在某些物质的极化方向上施加电场（加电压），它会产生机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。压电材料的压电特性常用压电方程来描述：qi=dijj或Q=dijFdij—压电常数（C／N），（i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6）；q—电荷的表面密度（C／cm2），—单位面积上的作用力，即应力（N／cm2）；Q—总电荷量（C），F—作用力（N）。i—晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂于x轴（y轴或z轴）时，记为i=1（2或3）。j=1，2，3，4，5，6分别表示沿x

3、轴、y轴、z轴方向的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面（即yz平面、zx平面、xy平面）内作用的剪切力。单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右螺旋定则确定。图中表示了它们的方向。另外，还需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定dij的符号。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。压电材料的压电特性可用它的压电常数矩阵表示：二、压电材料具有压电效应的电介物质称为压电材料。在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多数晶体的压电效应都十分微弱。石英晶体及钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。压电晶体（单晶）：它包括压电石英晶体

4、和其它压电单晶；压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体；新型压电材料：有压电半导体和有机高分子压电材料两种。目前普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电陶瓷中的钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。⑴压电晶体⑵压电陶瓷⑶新型压电材料压电材料可以分为三大类⑴压电晶体①石英晶体：俗称水晶，化学成分为SiO2，有天然和人工之分。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃、晶体结构为六角晶系的α－石英。石英晶体的外形（a）天然石英晶体；（b）人工石英晶体；（c）右旋石英晶体的理想外形m－柱面R－大棱面r－小棱面s－棱界面x－棱角面ⅰ.压电常数小（压电系数d11＝2.31×10-12

5、C／N），其时间和温度稳定性极好，常温下几乎不变，在20~200℃内其温度变化率约为2.15106/℃；ⅱ.机械强度和品质因数高，许用应力高达（6.8~9.8）×107Pa。且刚度大，能承受700~1000kg／cm2的压力。固有频率高且十分稳定，动态特性好；ⅲ.居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。所以石英是理想的压电传感器的压电材料。天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。②除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶系。例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O6）等，

6、还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH2PO4）、磷酸二氢氨（NH4H2PO4）等等。石英晶体的主要性能特点：⑵压电陶瓷压电陶瓷是人造多晶系压电材料。常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PbTiO3－PbZrO3）（PZT）、铌酸盐系压电陶瓷。它们的压电常数比石英晶体高，如钛酸钡压电系数d33＝190×10-12C／N，但介电常数、机械性能不如石英好。由于它们品种多，性能各异，可根据它们各自的特点制作各种不同的压电传感器。压电陶瓷元件压电陶瓷具有明显的热释电效应。热释电效应：某些晶体除了由于机械应力的作用而引起的电极化（压电效应）之外，还可由于温度变化而产生电极化。用热释电系数

7、来表示该效应的强弱，它是指温度每变化1℃时，在单位质量晶体表面上产生的电荷密度大小，单位为C/（m2·g·℃）。如果把BaTiO3作为单元系压电陶瓷的代表，则锆钛酸铅（Pb（Ti,Zr）O3，PZT）就是二元系的代表，它是1955年以来压电陶瓷之王。在压电陶瓷的研究中，研究者在二元系的锆钛酸铅中进一步添加另一种成分组成三元系压电陶瓷，其中镁铌酸铅Pb（Mg1/3Nb2/3）O3与PbTiO3和PbZrO3所组成的三元系获得了更好的压电性能，d33=（80