第6章压电传感器

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（二）压电陶瓷
压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引 起内部正负电荷中心相对位移而发生极化， 导致材料两端表面出现符号相反的束缚电荷 即压电效应而制作
压电陶瓷主要用于制造超声换能器、水声换 能器、电声换能器、陶瓷滤波器、陶瓷变压 器、陶瓷鉴频器、高压发生器、红外探测器、 声表面波器件、电光器件、引燃引爆装置和 压电陀螺等 ，除了用于高科技领域，它更多 的是在日常生活中为人们服务，为人们创造 更美好的生活而努力
外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极 化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电 特性，未极化时是非压电体
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压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数值相 等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的 作用，因此陶瓷片对外不表现极性
“压电效应”
Q=dF
某些电介质（晶体）
当沿着一定方向施加力变形时，内部 产生极化现象，同时在它表面会产生 符号相反的电荷
当外力去掉后，又重新恢复不带电状 态
当作用力方向改变后，电荷的极性也 随之改变
这种现象称压电效应
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小 知识
自然界中与压电效应有关的现象很多，例如在敦 煌的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙 丘上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这 个现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振 动压力下，表面产生电荷 ，在某些时刻，恰好形成
弹性常数：压电材料的弹性常数、刚度决定压电器件的固有频 率和动态特性
介电常数：压电元件的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
机械耦合系数：转换输出能量与输入能量之比的平方根，是衡 量压电材料机电能量转换效率的重要参数
电阻：压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄露，从而改善压电传 感器的低频特性
压电效应是可逆的
在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
压电元件可以将机械能转化成电能 也可以将电能转化成机械能
机械能
压电元件
电能
压电材料的主要特性参数有
压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关 系到压电输出灵敏度
机械工业出版社 中等职业教育电气类规划教材
《自动检测与转换技术》
第六章
压电传感器
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第一节 压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以 某些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，从而实现非电量电测 的目的。
压电式传感器主要用途：压电传感元件是力 敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些 非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加 速度等，但不能用于静态参数（例如重量）的 测量。
压电陶瓷的压电机理与压电晶体不同
人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许 多自发极化的电畴，他有一定的极化方向
无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化 相互抵消，呈中性
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压电陶瓷的压电效应
施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向 外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时， 所有的电畴与外电场一致。
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晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时， 引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量 的大小与外力成正比关系
电荷密度：
d33——压电陶瓷的纵向压电常数，d33 比d11、 d12大 的多，
压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高
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压电陶瓷外形
ห้องสมุดไป่ตู้ 无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
高分子压电薄膜及拉制
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料， 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易 破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较 大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围 较宽，测量动态范围可达80dB。
电压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发 出声音。
在电子打火机中，多片串联的压电材料受到敲击， 产生很高的电压，通过尖端放电，而点燃。
与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出 脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振 动而发声的。
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清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅，风 生细响语喁喁”。——鸣沙山上的逆压电效应
小实验
我们先来看一个实验。在完全黑暗的环境 中，将一块干燥的冰糖用榔头敲碎，可以看 到冰糖在破碎的一瞬间，发出暗淡的蓝色闪 光，这是强电场放电所产生的闪光，产生闪 光的机理是晶体的压电效应
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一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚石 刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压 力时，晶格产生变形，表面产生正电荷，电荷Q 与所施加的力F成正比 ，这种现象称为：
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
压电式脚踏报警器
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
第二节 压电传感器的测量转换电路
电荷放大器的输出电压仅与输入电荷
和反馈电容有关，电缆长度等因素的影响
很小：
Q
uo

Cf
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
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， 从而产生稳定的振荡输 出频率。
石英晶体大多只在标准传感 器，高准确度传感器或使用 温度较高的传感器中使用， 而在一般要求的测量中，基 本上采用压电陶瓷。
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居里点温度：压电材料开始丧失压电特性的温度
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二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般 有三类： 一类是压电晶体（如上述的石 英晶体）； 另一类是 经过极化处理的 压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。
（一）石英晶体 天然形成的石英晶体外形
天然形成的石英晶体外形（续）