第7章 压电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学·2021）

传感器与检测技术 工程检测技术 压电式传感器 是一种典型的电源型传感器，基本原理是利用压电效应： 正压电效应—某些电介质物质，沿一定方向对其施加压力 或拉力使之变形，内部会产生极化现象，表 面上会产生电荷，当外力去掉时，又会重新 回到不带电状态。 逆压电效应—对某些物体表面施加一定的电场作用，这些 物体将会发生变形，也就是在极化方向有伸 缩现象。 压电效应是具有极性的。 工程检测技术 压电式传感器 图7-l 压电转换元件受力变形的几种基本形式 工程检测技术 石英晶体 Z轴——纵向轴，称光轴； X轴——经过正六面体棱线，称电轴； Y轴——垂直于正六面体棱面，称机械轴。 纵向压电效应：沿X轴方向作用力产生的压电效应 横向压电效应：沿Y轴方向作用力产生的压电效应 图6-2 石英晶体的 外形和晶轴 工程检测技术 石英晶体 工程检测技术 石英晶体 图7-3 石英晶体压电效应示意图 工程检测技术 石英晶体 结论： (1)作用力FX=0时，晶体上不出现电荷； (2) X方向受压力时， FX<0 ，X轴正向出现正电荷，Y、Z轴方向不出现电荷； 受拉力时， FX > 0 ，X轴正向出现负电荷，Y、Z轴方 向不出现电荷； 图7-4 石英晶体受力方向与电荷极性的关系 工程检测技术 石英晶体 结论： (3)Y轴方向受力的作用时，与上述情况相似，只是在X轴上的电荷极性相反； (4) 晶体在Z轴方向上受力的作用时晶体不产生压电效应。 工程检测技术 石英晶体 结论： 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； 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； 石英晶体不是在任何方向上都有压电效应。 工程检测技术 压电陶瓷 图7-5 压电陶瓷的极化过程和压电原理图 工程检测技术 高分子材料 工程检测技术 压电方程与压电常数 电荷的表面密度，单位为C/cm2; 单位面积上的作用力，单位为N/cm2; 压电常数，单位为C/N。 工程检测技术 压电方程与压电常数 表示晶体的极化方向；即产生电荷的表面垂直于x，y或z轴，记为i=1，2，3 表示沿不同方向施加力；共有6个方向。 工程检测技术 压电方程与压电常数 应力 符号规定： 拉应力为正，压应力为负。 例如压电常数： 分别表示？ 工程检测技术 压电方程与压电常数 设： 在垂直于X轴、Y轴、Z轴的表面上产生的电荷密度。 沿X、Y、Z轴方向作用的拉力或压力。 在YZ平面、ZX平面、XY平面内作用的剪应力。 工程检测技术 压电方程与压电常数 晶体在任意状态下所产生的表面电荷密度为： 工程检测技术 压电方程与压电常数 压电常数矩阵： 1.每行表示：元件分别受X、Y、Z轴方向正向应力及YZ、ZX、XY平面内剪应力作用时，相应地在垂直于X、Y、Z轴表面产生电荷的大小。 工程检测技术 压电方程与压电常数 压电常数矩阵： 2.若某个 则表示在该方向上没有压电效应。 工程检测技术 压电方程与压电常数 压电常数矩阵： 3.元件可以通过 将6种不同的机械效应转化为电效应；也可以将电效应转化为6种不同模式的振动。 工程检测技术 压电方程与压电常数 压电常数矩阵： 4.根据压电常数的绝对值的大小，可以判断在那几个方向应力作用时，压电效应最显著。 工程检测技术 压电方程与压电常数 石英晶体： 工程检测技术 压电材料 要求： 1. 转换性能——压电常数大； 2. 机械性能——强度大，刚度大，线性范围好； 3. 电性能——电阻率高，介电常数大； 4. 环境适应性——温、湿度稳定性好； 5. 时间稳定性。 工程检测技术 压电材料 主要指标参数： 1、压电系数 2、弹性常数 3、机械耦合系数 4、介电常数 5、绝缘电阻 6、温度特性（居里点） 工程检测技术 石英晶体 工程检测技术 石英晶体 性能稳定 机械强度高 绝缘性能好 优点 缺点 压电系数较低 价格昂贵 工程检测技术 压电陶瓷 （1）钛酸钡压电陶瓷 压电系数比较高（107×10ˉ12C／N）， 居里点较低，约为120°C， 机械强度也不及石英。 （2）锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高（200～500×10 ˉ12C ／N） 居里点高（300°