传感器与检测技术教程压电陶瓷

目录压电材料23测量电路双击添加标题文字压电效应14压电传感器及其特点§1压电效应PiezoelectricEffect雅克·居里（JacquesCurie）（1856年10月29日-1941年），法国物理学家，蒙彼利埃大学教授。皮埃尔·居里(PierreCurie)(1859-1906)居里兄弟他们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时，在它们的表面上会出现正或负电荷，这些电荷与压力的大小成正比，而当压力排除之后电荷也消失。1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。1882年，他们证实了李普曼(G．Lippmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计——居里计。1.石英晶体的压电效应左旋石英晶体石英晶体的晶轴

X轴垂直的平面上产生的电荷Qx，它的大小为式中：

ｄ11为压电系数，受力方向和变形不同时压电系数也不同。石英晶体的正压电效应在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷Q当外力消失，又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S

与外电场强度E成正比：式中：dt

—逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。1、正（顺）压电效应2、逆压电效应（电致伸缩）压电常数弹性常数（刚度）介电常数机电耦合系数电阻居里点压电效应强弱：灵敏度固有频率、动态特性固有电容、频率下限机电转换效率泄漏电荷、改善低频特性丧失压电性的温度§2压电材料压电材料的主要参数压电材料可分为三大类：一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；二是压电陶瓷(多晶半导瓷)；三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。压电晶体(a)天然石英晶体；(b)人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓“多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性BaTiO3压电陶瓷的极化

新型压电材料压电半导体硫化锌(ZnS)、碲化镉(CeTe)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)等，这些材料显著的特点是：既具有压电特性又具有半导体特性。因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。有机高分子压电材料其一，是某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电极化后具有压电性的高分子压电薄膜，如聚氟乙烯（PVF)等。其二，是高分子化合物中掺杂压电陶瓷PZT或BaTiO3粉末制成的高分子压电薄膜。压电材料压电陶瓷压电晶体钛酸钡BaTiO3锆钛酸铅系列铌镁酸铅DMN铌酸锂LiNbO3石英SiO2PZT-4PZT-5PZT-8性能参数压电系数(C/N)d152604106704102200d11=2.31d31-78-100-185-90-230-25.9d14=2.31d331902004.5200700487相对介电常数(

r)120010502100100025003.94.5居里点温度(℃)1153102603002601210573密度(103kg/m3)5.57.457.57.457.64.642.65弹性模量(108Pa)11083.311712324.580机械品质因数300250080≥800105105~106最大安全应力(106N/m2)8176768395~10体电阻率(

m)101010101010>1012最高允许温度(℃)80250250350常用压电晶体和压电陶瓷材料特性一、压电晶片的连接方式（1）并联：（2）串联：§2等效电路和测量电路只适宜动态测量压电晶片：压电传感器：二、压电传感器的等效电路压电传感器在实际测量系统中的等效电路前置放大器的作用：

（1）放大（2）阻抗转换电压放大器电荷放大器1、电压放大器三、压电传感器的测量电路前置放大器输入端电压：前置放大器输入端电压幅值：输入电压与作用力间的相位差：时间常数时间常数输入电压与作用力间的相位差：讨论：适合测量高频交变力(1)(2)(3)由运算放大器构成的电压比例放大器2、电荷放大器电荷放大器原理图灵敏度与电缆电容无关上限下限例1：压电式测力传感器压电式三向力传感器§3压电传感器的应用电极结构预紧力例2：压电式压力传感器压电陶瓷：弹丸起爆装置——破甲弹例3：压电引信发射药在堂内燃烧形成压力完成炮弹的发射。堂内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。例4：火炮堂内压力测试——重块质量——加速度例5：压电式加速度传感器产品过载冲击试验跌落高度h被冲击介质：钢、橡胶、塑料、木块加速度产品例6：冲击试验台的标定和检测事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、气体、充气、弹性体例7：汽车安全气囊系统密封容器压力测试法例8：气体发生器输出特性测试加速度160ug~10g速度0.4~80cm/s振幅4um~8cm转换开关SA：V：D：积分：振动速度、幅值例9：振动测量仪例10：压电式血压传感器例11：指套式电子血压计例12：玻璃破碎报警器例13：水深测量仪声表面波传感器延迟时间SAW振子：LC谐振回路振动频率例14：逆压电效应的应用结冰现象的危害：铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、冷库物资防冰、飞机安全飞行结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度基于压电效应的冰传感器原理：三电极片式压电器件：例15：用于结冰状况监测的冰传感器电极1、2间加交变电压：压电晶体机械振动，系统的谐振频率：——等效刚度——等效质量冰层检测原理：极板1上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；极板1上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。三电极压电元件：T型LC三端元件，构成振荡电路。1、“基于压电器件的冰传感器”，《仪表技术与传感器》，2001年9期参考文献：2、“压电式