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第7章　压电式传感器 概述 概述 1.压电效应 压电材料受力变形,在表面产生电荷——正压电效应 机械能 电能 压电材料通电压,材料变形——逆压电效应 电能 机械能 2.压电材料 压电晶体(单晶) 压电陶瓷(多晶) 3.压电材料的主要特性参数 1)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)压电材料的弹性常数E、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 3)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。 3.压电材料的主要特性参数 4)在压电效应中,机械耦合系数K 等于转换输出能量(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)压电材料的绝缘电阻Ra将减少电荷泄漏, 从而改善压电传感器的低频特性。 6)压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点温度。  4.压电材料的主要公式 1) 压电关系式: ——d为压电常数；F为压电材料所有外力；Q为产生电荷 2)压电电压常数 —— 是压电材料的介电常数 3)压电应变常数 ——E为压电材料的弹性模量 4)机电耦合系数  7.1.2石英晶体的压电机理分析 石英的晶体结构为六棱柱,化学式为SiO2。 定义： z ：无压电效应,六棱柱纵轴,也称光轴。 x：通过六棱柱棱线并垂直于光轴，也称为电轴。 y ：垂直于棱面,称为机械轴。 2、压电机理 切片在受到不同方向的作用力时,会产生不同的极化现象。 主要的压电效应有：纵向效应、横向效应和切向效应。 3、石英晶体的压电机理分析 压电常数dij有两个下标: i(i=1,2,3)——表示在i面上产生电荷,i=1,2,3分别表示在垂直于x,y,z轴的晶面,即x,y,z面上产生电荷。 j(j=1,2,3,4,5,6)——其中j=1,2,3分别表示晶体沿x,y,z轴方向承受单向力；j=4,5,6分别表示晶体在yz平面、zx平面和xy平面上承受剪切力。 石英晶体的压电机理分析 石英 天然或人工合成。具有良好的机械强度和压电效应。压电系数较小(d11=2.3×10-12C/N),但压电系数的时间和稳定性好。在20～200℃内,温度每升高1℃,压电系数仅减少0.016%,升高到200℃时,仅减小5%，达到573℃时,失去压电特性,此温度称为石英的居里点。介电常数为4.5。 石英晶体的压电机理分析 (1)纵向压电效应——沿电轴(X轴)施力,电荷出现在与X轴垂直的表面上。产生的电荷为： (2)横向压电效应——沿机械轴(Y轴)施力,电荷仍出现在与X轴垂直的表面上。产生的电荷为： 石英晶体的压电机理分析 根据石英晶体对称性, d11=-d12 从而 石英晶体的压电机理分析 (3)切向压电效应——沿相对两棱加力(X轴或Y轴施加剪切力),晶体表面产生电荷的现象。 ①沿X轴的剪切力产生的电荷在与Y轴垂直 的表面上(电荷量与剪切力成正比,与晶 体尺寸无关) ②沿Y轴的剪切力产生的电荷在与X轴垂直 的表面上(电荷量与剪切力成正比,与晶体尺寸无关) 压电陶瓷的压电机理分析 陶瓷片极化 压电陶瓷的正压电效应 压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。 常见压电陶瓷 ： （1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。 （2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT） 压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以 获得不同性能的PZT材料。 （3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN） 具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作，可作为高温下的力传感器。 5、高分子压电材料 聚偏氟乙烯压电材料 7.2压电式传感器的等效电路 压电器件相当于具有一定电容的电荷源,其电容 电容两极板间开路电压为 7.2压电式传感器的等效电路 7.2压电式传感器的等效电路 假设一恒力F作用于压电器件,产生电量q,则输出电压为 ①压电传感器本身产生的电荷量很小,且传感器本身的电阻很大(压电器件绝缘电阻Ra一般在1013