第6章压电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术（第4版）》同步教学（机工版）

第6章　压电式传感器 主要内容 6.1 工作原理 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用 知识单元与知识点 压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念； 压电材料的分类及其特性； 压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路； 压电元件的连接特性； 压电式传感器的应用。 能力点 深入理解压电效应、正压电效应、逆压电效应的基本概念； 理解压电式传感器的等效电路、电荷放大器与电压放大器的测量电路； 了解压电材料的分类及其特性； 会分析压电元件的连接特性； 了解压电式传感器的应用。 重难点 重点：压电式传感器的工作原理、测量电路。 难点：压电式传感器的测量电路。 学习要求 掌握压电效应、正压电效应、逆压电效应的含义； 掌握石英晶体具有压电效应特性的分子结构特性、压电陶瓷的压电特性机理；了解压电材料的主要特性参数及其含义、压电材料的选取； 掌握压电式传感器的等效电路与测量电路； 掌握压电元件并联或串联特性； 了解压电式传感器的典型应用。 6.1.1 压电效应 （正）压电效应：是对某些电介质沿一定方向施以外力使其变形时，其内部将产生极化而使其表面出现电荷集聚的现象。在外力去除后又重新恢复到不带电状态，是机械能转变为电能。 逆压电效应（电致伸缩）：当在片状压电材料的两个电极面上加交流电压，将导致压电片产生机械振动（在电极方向上产生伸缩变形） 可见：压电效应具有可逆性 特点： 结构简单、体积小、重量轻； 工作频带宽；灵敏度高；信噪比高； 工作可靠；测量范围广等。 用途： 主要用于与力相关的动态参数测试，如动态力、机械冲击、振动等，它可以把加速度、压力、位移、温度等许多非电量转换为电量。 6.1.2 压电材料 X轴向受力： Y轴向受力： Z轴向受力： 无 石英晶体（单晶体） 现象： 机理： 机理： 压电陶瓷（多晶体） 压电机理： 　　压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。  在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 具有剩余极化的压电陶瓷材料受到外力作用时，将在垂直于极化方向的平面上出现电荷集聚的变化，产生由机械能转变为电能的正压电效应。 　　集聚的电荷量的大小与外力成正比关系： 式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数；  F——作用力。 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化， 从而使其压电特性减弱。  压电高分子材料 　　目前已发现的压电系数最高、且已进行应用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。这种聚合物中碳原子的个数为奇数，经过机械滚压和拉伸制作成薄膜之后，带负电的氟离子和带正电的氢离子分别排列在薄膜的对应上下两边上，形成微晶偶极矩结构，经过一定时间的外电场和温度联合作用后，晶体内部的偶极矩进一步旋转定向，形成垂直于薄膜平面的碳－氟偶极矩固定结构。正是由于这种固定取向后的极化和外力作用时的剩余极化的变化，引起了压电效应。 压电材料的特性参数 压电系数：衡量压电效应强弱（灵敏度） 弹性系数：决定固有角频率（动态特性） 介电常数：影响固有电容（频率下限） 机电耦合系数：用于衡量能量转换效率 电阻：减少电荷泄漏（改善压电式传感器的低频特性） 居里点：开始失去压电特性的温度 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： 转换性能：高耦合系数、大压电系数 机械性能：机械强度高 电性能：高电阻率、大介电常数，减弱外部分布电容的影响 温度、湿度稳定性好：宽的温湿度工作范围 时间稳定性：压电特性不随时间褪化 比较石英晶体、钛酸钡、PZT系 石英是较好的单晶体类压电材料，除了压电系数不大外，其他特性都具有显著优越性：居里点573℃，压电系数的温度系数小，弹性系数较大，机械强度高。主要用于测量大量值的力或加速度或作为标准传感器使用 钛酸钡（BaTiO3）：较好的多晶体陶瓷类压电材料，突出的特点：压电系数比石英大几十倍，但居里