第7章 压电式传感器.pptxVIP

传感器技术与应用

2第7章压电式传感器7.1压电式传感器概述7.2压电效应7.3压电材料的压电特性7.4压电式传感器等效电路与测量电路7.5压电式超声波传感器

第7章知识目标（1）掌握压电材料类型划分；（2）掌握正压电效应、逆压电效应工作特性；（3）掌握正压电效应对应的压电式传感器的两种等效电路；（4）掌握超声波的定义与物理性质；（5）掌握超声波式传感器的类型划分与检测方式；（6）掌握超声波传感器的结构构成。3

第7章能力目标（1）能够结合实际工程需求，选择合适类型的压电式传感器并能够正确应用；（2）能够正确分析实际工程应用案例中的压电式传感器的作用与特性；（3）正确理解压电式传感器与超声波式传感器之间的关联性与差异性；（4）理解超声波传感器盲区存在的原因；（5）掌握超声波传感器的温度补充的必要性及其措施。4

57.1压电式传感器概述压电式传感器是一种利用机械能与电能相互转换的压电效应对被测量进行检测的装置。属于有源传感器，具有灵敏度高，频率响应高，响应速度快，测量范围宽，稳定性好，可靠性高，体积小，结构简单等许多性能优点，被广泛应用于高频动态参量的测量。1.压电式传感器基本特性

62.压电式传感器典型应用：（1）应用于对车床动态切削力、高频振动等的测量；（2）应用于爆炸冲击、火炮压力等的测试；（3）应用于医学心音、心电图、血压、呼吸，以及生物体器官和组织等检测；（4）应用于噪声、震动等污染源等的检测；（5）应用于汽车的碰撞检测系统、停车辅助系统、轮胎压力监测系统等；（6）应用于对飞行器发动机与机身的振动分析、加速度检测等。

73.压电式传感器类型划分

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107.2压电效应压电式传感器的工作原理是基于电介质材料的压电效应。具有压电效应的电介质材料称为压电材料。压电材料具有两种可逆的效应：即正压电效应和逆压电效应。电能机械能正压电效应逆压电效应

117.2.1正压电效应正压电效应：指对压电材料按确定方向施加外力，导致压电材料产生机械形变，内部发生极化现象，在压电材料相对的两个极化面分别积聚等量的正、负电荷。机械能→电能

12注意：当外部施加的作用力去除后，压电材料将恢复到电中性状态。

137.2.2逆压电效应逆压电效应（电致伸缩效应）：指在压电材料极化方向施加外部交变电场时，压电材料在极化方向产生机械伸缩形变的现象电能→机械能注意：去除外加电场后，压电材料的机械形变也随之消失。

147.3压电材料的压电特性7.3.1压电材料类型石英、电气石……各种类型压电陶瓷硫化镉、硒化镉……高分子压电材料聚偏氟乙烯、聚氟乙烯……8-羟基喹啉液晶、硅基液晶……聚偏氟乙烯、聚氟乙烯……结构单元为纳米量级，尺寸范围为1nm~100nm同时具有磁、电、压电等多种特性的材料铁酸铋、钛酸钡……

157.3.2压电材料主要特性参数1.压电系数压电常数是衡量压电材料压电效应强弱的重要特性参数压电系数为矢量，具有正、负号，表征的是电荷的正、负分布或电位差的方向。压电系数绝对值越大表明压电效应越强，与压电式传感器的灵敏度密切相关。压电系数不仅取决于压电材料本身，也与压电材料的晶体结构、温度等因素相关。通常以字母“d”表示需要结合具体的实验结果和分析方法来确定压电系数。

162.弹性系数指弹性材料在一定变形条件下单位应变所对应的应力值。用于衡量材料受力时的刚度和柔度，反映材料在应力作用下的弹性。弹性系数具体取值与压电材料的类型、晶体尺寸与结构、施力方向，以及环境温度等因素密切相关，此外还与应变历史相关。如，在一定的应变范围内进行循环加载和卸载会影响弹性系数。

173.介电常数压电材料的介电常数是影响压电元件固有电容和频率特性的重要因素之一。4.机电耦合系数压电能密度弹性能密度介电能密度机电耦合系数5.电阻率压电材料电阻率越高，绝缘电阻就越大，从而减少电荷的泄露，使压电材料具有较好的低频特性。

18指压电材料开始失去压电特性时对应的温度值。6.居里温度居里点例如：铅酸钛的居里温度约为490℃；氧化锆的居里温度则约为1200℃。不同压电材料的居里温度值不同。

197.3.3石英晶体1.石英晶体结构石英晶体（压电水晶），简称：石英；化学成分为SiO?，具有六角棱柱体形的单晶体结构。（a）天然石英晶体实物注意：当前使用的石英晶体多是通过人工培育形成。（b）石英晶体结构示意图

202.石英晶体类型石英晶体的熔点为1750℃。在常压和不同的温度条件下石英晶体具有不同的晶体结构：注意：石英晶体处于20℃~200℃之间时，压电系数非常稳定。

21未受外力作用