王介生2010检测技术第6章压电式传感器

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1、检测技术电子与信息工程学院主讲人：王介生检测技术第6章压电式传感器绪论压电传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，在外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量，压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。压电加速度传感器动态压力传感器压电器件受力、表面形变电荷第6章压电式传感器主要介绍三部分内容：1、工作原理2、测量电路3、典型应用检测技术第6章压电式传感器1、压电效应正压电效应：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

2、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。检测技术第6章压电式传感器6.1工作原理逆压电效应：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。压电介质正压电效应电能机械能逆压电效应2、常用的压电材料（1）石英晶体(单晶体)检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器ZYX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

3、垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴ZXY石英晶体属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈六面体,沿各方向特征不同。检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器天然形成的石英晶体外形检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器天然形成的石英晶体外形检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器按特定方向切片人工合成水晶检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器石英晶体振荡器（晶振）石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，

4、从而产生稳定的振荡输出频率。晶振检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器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。沿X方向(电轴)的力作用产生电荷的压电效应称“纵向压电效应”；沿Y方向的(机械轴)的力作用产生电荷的压电效应称“横向压电效应”；沿Z方向的(光轴)的力作用时不产生压电效应。检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器压电式传感器主要是利用纵向压电效应。检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器X轴向受力

5、：Y轴向受力：Z轴向受力：无检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器电荷符号与受力方向的关系结论：①无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系；②晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器石英晶体内部分子结构模型检测技术6.1工作原理第6章压电式传感器力作用对离子排列位置的影响检测技术第6章压电式传感器6.1工作原理（2）压电陶瓷(多晶体)压电陶瓷直流电场E剩余极化强度剩余伸长电场作用

6、下的伸长(a)极化处理前(b)极化处理中(c)极化处理后压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。检测技术第6章压电式传感器6.1工作原理钛酸钡毛坯和晶体检测技术第6章压电式传感器6.1工作原理（3）压电高分子材料高分子材料属于有机分子半结晶或结晶聚合物，其压电效应较复杂，不仅要考虑晶格中均匀的内应变对压电效应的贡献，还要考虑高分子材料中作非均匀内应变所产生的各种高次效应以及同整个体系平均变形无关的电荷位移而表现出来的压电特性。目前已发现的压电系数最高、且已进行应用

7、开发的压电高分子材料是聚偏氟乙烯，其压电效应可采用类似铁电体的机理来解释。检测技术第6章压电式传感器6.1工作原理高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆检测技术第6章压电式传感器6.1工作原理（4）压电材料的特性参数①压电常数②弹性常数③介电常数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。④机械耦合系数转换输出能量（如电能）与输入的能量（如

8、机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。⑤电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。⑥居里点温度它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。检测技术第6章压电式传感器6.1工作原理(5)压电材料的选取：选用合适的压电材料是设计、制作高性能传感器的关键。一般应考虑：①转换性能：要求具有较大压电常