第六章 压电传感器 本章学习压电传感器的原 理、应用及振动频谱分析。 2023/7/16 1
2023/7/16 1 本章学习压电传感器 的原 理、应用及振动频谱分析。 第六章 压电传感器
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的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、 可靠性、稳定性高。 2023/7/16
2023/7/16 2 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的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、 可靠性、稳定性高
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，这种现象称为压电效 应。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质 的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电 致伸缩效应) 2023/7/16
2023/7/16 3 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 ，这种现象称为压电效 应 。还有一些人造的材料也具有压电效应。 若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质 的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电 致伸缩效应）
石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。 2023/7/16
2023/7/16 4 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变，输出电压 的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电 荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失
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。 2023/7/16
2023/7/16 5 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 2023/7/16
2023/7/16 6 （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） 2023/7/16
2023/7/16 7 天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 晶体毛片 双面镀银并封装 2023/7/16
2023/7/16 8 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装
WLD 27.000MHz 石英晶体振荡器 (晶振) 9 C8 48 晶振 5792LB C9 石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 R13 与逆压电效应交替作用， 从而产生稳定的振荡输 出频率
2023/7/16 9 石英晶体振荡器（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。 晶振
(二) 压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT)及 非铅系压电陶瓷（如BaTiO,等）。 2023/7/16 10
2023/7/16 10 （二）压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料， 它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造 成本却较低，因此目前国内外生产的压电元 件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶 瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及 非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）