中国地质大学（武汉）：《传感器及检测技术 Sensor And Measure Technology》课程教学资源（课件讲稿）第3章 压电式传感器

第3章压电式传感器 3.1 压电效应及压电元件 2 3.2压电式传感器的等效电路 88年88有8888■■■■■E年g8gggg8 EEEEEnEEEEn■年s年ggs年sssg■■gg■ggg 3 3.3 压电式传感器的测量电路 aa● 3.4 压电式传感器的应用

第3章 压电式传感器 1 3.1 压电效应及压电元件 3.2 压电式传感器的等效电路 3 3.3 压电式传感器的测量电路 4 3.4 压电式传感器的应用 2

概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质 材料的压电效应，是典型的有源传感器。 ◆ 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有 电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频 带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等 特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动 的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方 面都得到了非常广泛的应用

概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质 材料的压电效应，是典型的有源传感器。 当某些材料受力作用而变形时，其表面会有 电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频 带宽、灵敏度高、工作可靠、测量范围广等 特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动 的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方 面都得到了非常广泛的应用

31压电效应及压电材料 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使 它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它 的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力 去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现 象称压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为 正压电效应”。相反，当在电介质极化方向 施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现 象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应)

3.1 压电效应及压电材料 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使 它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它 的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力 去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现 象称压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为 “正压电效应”。相反，当在电介质极化方向 施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现 象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）

3.1压电效应及压电材料 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料 能实现机一电能量的相互转换，如图3-1所示。 机械量 压电元件 电 图3-1压电效应可逆性

3.1 压电效应及压电材料 具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料 能实现机—电能量的相互转换，如图3-1所示。 压电元件 机 械 量 电 量 图3-1 压电效应可逆性

3.1压电效应及压电材料 ◆石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优 良的压电材料。 ◆压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。 ◆ 他们都具有较大的压电常数，机械性能良好， 时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是 较理想的压电材料

3.1 压电效应及压电材料 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优 良的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。 他们都具有较大的压电常数，机械性能良好， 时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是 较理想的压电材料

3.1压电效应及压电材料 ◆ 压电材料的主要特性参数有： (1)压电常数：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的灵敏度。 (2)弹性常数：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。 (3)介电常数：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：在压电效应中，其值等于转换

3.1 压电效应及压电材料  压电材料的主要特性参数有： （1） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱 （2） 弹性常数：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。 （3） 介电常数：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：在压电效应中，其值等于转换

31压电效应及压电材料 输出能量（如电能)与输入的能量 （如机械能) 之比的平方根；它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：压电材料开始丧失压电特性的温 度称为居里点

输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根； 它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：压电材料开始丧失压电特性的温 度称为居里点。 3.1 压电效应及压电材料

3.1压电效应及压电材料 3.1.1石英晶体 ◆石英晶体化学式为SiO2（二氧化硅)，是单晶体结构 ◆它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、 固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压 电系数不随温度而改变)、工作湿度高达100%、稳 定性好。 2 (a) (b) (c) 图3-2石英晶体

3.1 压电效应及压电材料 3.1.1 石英晶体 石英晶体化学式为SiO2（二氧化硅），是单晶体结构 它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、 固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压 电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳 定性好。 （a） （b） （c） 图3-2 石英晶体

3,1压电效应及压电材料 图3-2（a)表示了天然结构的石英晶体外形。它 是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是 不同的。 ◆其中纵向轴z称为光轴， 经过六面体棱线并垂直 于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y 称为机械轴。 通常把沿电轴☒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y方向 的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电 效应”。而沿光轴z方向受力时不产生压电效应

3.1 压电效应及压电材料 图3-2（a）表示了天然结构的石英晶体外形。它 是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是 不同的。 其中纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直 于光轴的x轴称为电轴，与x和z轴同时垂直的轴y 称为机械轴。 通常把沿电轴x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y方向 的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电 效应”。而沿光轴z方向受力时不产生压电效应

3.1压电效应及压电材料 ◆ 若从晶体上沿y方向切下一块如图3-2(c)所示晶 片，当在电轴方向施加作用力F时，在与电轴x垂 直的平面上将产生电荷Qx,其大小为 =dF 式中： d一x方向受力的压电系数； F 作用力。 ◆ 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力F, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy,其大小为：

3.1 压电效应及压电材料 若从晶体上沿y方向切下一块如图3-2（c）所示晶 片，当在电轴方向施加作用力 时，在与电轴x垂 直的平面上将产生电荷Qx，其大小为 式中： ——x方向受力的压电系数； ——作用力。 若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力 ， 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy，其大小为： Q d F x x   11 11 d F x F x F y