压电式传感器(讲稿)李江全石河子大学机电学院电气工程教研室
压 电 式 传 感 器 (讲 稿) 李江全 石河子大学机电学院电气工程教研室
目录一、概述1、什么是压电传感器？2、常用的压电材料二、工作原理1、压电效应2、石英晶体的三轴3、纵向压电效应与横向压电效应4、力与电荷量的关系三、压电元件1、几种变形方式2、等效电路3、联接方式四、压电式传感器1、组成2、测量电路3、类型4、特点5、应用补充问题1、压电式传感器在使用中应注意什么问题？2、为什么压电传感器不能进行静态测量？3、为什么压电力传感器在使用中要预加载荷？
目 录 一、概述 1、什么是压电传感器？ 2、常用的压电材料 二、工作原理 1、压电效应 2、石英晶体的三轴 3、纵向压电效应与横向压电效应 4、力与电荷量的关系 三、压电元件 1、几种变形方式 2、等效电路 3、联接方式 四、压电式传感器 1、组成 2、测量电路 3、类型 4、特点 5、应用 补充问题 1、压电式传感器在使用中应注意什么问题？ 2、为什么压电传感器不能进行静态测量？ 3、为什么压电力传感器在使用中要预加载荷？
一、概述1、什么是压电传感器？以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量电测目的的一种传感器。压电式传感器是一种典型的有源传感器（或发电型传感器），压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，文可以将电能转换为机械能。2、常用的压电材料具有压电效应的材料（电介质）称之为压电材料。压电材料可以分为压电晶体与压电陶瓷两大类，前者是天然形成或人工制成的单晶体，后者为人工制造的多晶体。压电晶体包括石英（即SiO2），酒石酸钾钠、酸锂晶体等压电陶瓷包括：钛酸、锆钛酸铅、银酸铅、锯镁酸铅等。现在声学和传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。压电陶瓷：压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有良好的压电效应，它的压电系数比石英晶体大得多，采用压电陶瓷制作的传感器灵敏度高，制作方便，成本低。石英晶体：压电系数较小，但对时间、温度的稳定性很好，机械强度高。二、工作原理1、压电效应压电式传感器的工作原理就是基于某些物质（电介质材料）的压电效应。对某些电介质，当沿着一定方向对它施加力而使它变形时，内部产生极化现象，在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，形成电场：当外力去掉后，材料又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物质机械变形的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效
一、概述 1、什么是压电传感器？ 以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生 电荷，从而实现非电量电测目的的一种传感器。 压电式传感器是一种典型的有源传感器（或发电型传感器）， 压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以 将电能转换为机械能。 2、常用的压电材料 具有压电效应的材料（电介质）称之为压电材料。 压电材料可以分为压电晶体与压电陶瓷两大类，前者是天然形成或人工制 成的单晶体，后者为人工制造的多晶体。 压电晶体包括石英（即 SiO2），酒石酸钾钠、铌酸锂晶体等。 压电陶瓷包括：钛酸钡、锆钛酸铅、银酸铅、铌镁酸铅等。 现在声学和传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷。 压电陶瓷：压电陶瓷是人工制造的多晶体，具有良好的压电效应，它的压 电系数比石英晶体大得多，采用压电陶瓷制作的传感器灵敏度高，制作方便， 成本低。 石英晶体：压电系数较小，但对时间、温度的稳定性很好，机械强度高。 二、工作原理 1、压电效应 压电式传感器的工作原理就是基于某些物质（电介质材料）的压电效应。 对某些电介质，当沿着一定方向对它施加力而使它变形时，内部产生极化 现象，在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，形成电场；当外力去掉后， 材料又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。 当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 相反，当在电介质的极化方向上施加电场，其几何尺寸也发生变化，这种 由于外电场作用导致物质机械变形的现象称为逆压电效应（也称电致伸缩效
应）。外加电场消失，变形也随之消失。2、石英晶体的三轴天然结构的石英晶体的理想外形，是一个正六面体，在晶体学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示，其中在石英晶体的右旋直角坐标系中：纵向轴乙称为光轴。沿光轴Z方向受力时不产生压电效应。经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X轴称为电轴。垂直于X轴的晶面上压电效应最显著：与X轴和Z轴同时垂直的Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。沿Y轴方向上的机械变形最显著。3、纵向压电效应与横向压电效应沿电轴文方向施加力时，在力作用的两晶面上产生电荷的压电效应称纵向压电效应。把沿机械轴Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。此时受力的两个晶面上不产生电荷，而在沿文轴的两个晶体面上产生电荷。沿相对两平面加力产生切向效应。在压电传感器中，一般利用压电材料的纵向压电效应较多，这时所使用的压电材料大多作成圆片式。4、力与电荷量的关系实验证明：压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。若沿单一晶轴x一x方向加力F，则在垂直于x一x方向的压电体表面上积聚的电荷量q为：q=d,F式中d为压电常数，与材质和切片方向有关。若压电体受到多方向的力，压电体各表面都会积聚电荷。每个表面上的电荷量不仅与作用于该表面上的垂直力有关，而且还与压电体其它面上所受的力有关。三、压电元件
应）。外加电场消失，变形也随之消失。 2、石英晶体的三轴 天然结构的石英晶体的理想外形，是一个正六面体，在晶体学中可以把它 用三根互相垂直的轴来表示，其中在石英晶体的右旋直角坐标系中： 纵向轴 Z 称为光轴。沿光轴 Z 方向受力时不产生压电效应。 经过正六面体棱线，并垂直于光轴的 X 轴称为电轴。垂直于 X 轴的晶面上 压电效应最显著； 与 X 轴和 Z 轴同时垂直的 Y 轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。 沿 Y 轴方向上的机械变形最显著。 3、纵向压电效应与横向压电效应 沿电轴 X 方向施加力时，在力作用的两晶面上产生电荷的压电效应称纵向 压电效应。 把沿机械轴 Y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应 。 此时受力的两个晶面上不产生电荷，而在沿 X 轴的两个晶体面上产生电荷。 沿相对两平面加力产生切向效应。 在压电传感器中，一般利用压电材料的纵向压电效应较多，这时所使用的 压电材料大多作成圆片式。 4、力与电荷量的关系 实验证明：压电体表面积聚的电荷与作用力成正比。 若沿单一晶轴 x—x 方向加力 F，则在垂直于 x—x 方向的压电体表面上积 聚的电荷量 q 为： q = dcF 式中 dc 为压电常数，与材质和切片方向有关。 若压电体受到多方向的力，压电体各表面都会积聚电荷。 每个表面上的电荷量不仅与作用于该表面上的垂直力有关，而且还与压电 体其它面上所受的力有关。 三、压电元件
1、几种变形方式压电元件按其受力和变形的方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形、厚度剪切变形及面剪切变形等儿种形式。但目前最常用的是厚度变形的压缩或和剪切变形的剪切式，尤其前者最为普遍。2、等效电路压电传感器的压电元件，当它受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷，在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集等量的负电荷，因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器，同时，也是一个电容器。所以，压电元件可以等效成一个电荷源和一个电容并联的等效电路。它是内阻很大的信号源，它也可以等效为一个电压源。3、联接方式实际压电传感器中，为提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件叠在一起使用。联接方式有两种：1）并联接法两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，它类似两个电容的并联。特点：在外力作用下正负电极上的电荷量增加一倍，电容量也增加一倍，输出电压与单片时相同。并联接法输出电荷大，电容量也大，时间常数大，宜用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。2）串联接法压电片不同极性端粘在一起，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。特点：两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大一倍。串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，并且测量电路输入阻抗很高的场合。实际的传感器中，需要压电片叠起来使用时，由于石英压电片每片产生的
1、几种变形方式 压电元件按其受力和变形的方式不同， 大致有厚度变形、长度变形、体积 变形、厚度剪切变形及面剪切变形等几种形式。 但目前最常用的是厚度变形的压缩或和剪切变形的剪切式，尤其前者最为 普遍。 2、等效电路 压电传感器的压电元件，当它受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表 面上出现电荷，在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集等量的负电 荷，因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器，同时，也是一个电容器。 所以，压电元件可以等效成一个电荷源和一个电容并联的等效电路。它是 内阻很大的信号源，它也可以等效为一个电压源。 3、联接方式 实际压电传感器中，为提高灵敏度，常把几片同型号的压电元件叠在一起 使用。联接方式有两种： 1）并联接法 两压电片的负极都集中在中间电极上，正电极在两边的电极上，它类似两 个电容的并联。 特点：在外力作用下正负电极上的电荷量增加一倍，电容量也增加一倍， 输出电压与单片时相同。并联接法输出电荷大，电容量也大，时间常数大，宜 用于测量缓变信号，并且适用于以电荷作为输出量的场合。 2）串联接法 压电片不同极性端粘在一起，正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板。 特点：两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时 相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大一倍。 串联接法，输出电压大，本身电容小，适用于以电压作为输出信号，并且 测量电路输入阻抗很高的场合。 实际的传感器中，需要压电片叠起来使用时，由于石英压电片每片产生的