1、传感器与检测技术教程传感器与检测技术教程1Page 2目录目录压电材料测量电路压电效应压电传感器及其特点Page 3Page 41压电效应压电效应 Piezoelectric Effect n雅克居里（Jacques Curie）（1856年10月29日-1941年），法国物理学家，蒙彼利埃大学教授。n皮埃尔居里(Pierre Curie)(1859-1906)居里兄弟居里兄弟Page 5n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。n1881年，他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。n1882年，
2、他们证实了李普曼(GLippmann)关于逆效应的预言：电场引起压电晶体产生微小的收缩。n利用压电现象，他们还设计了一种压电石英静电计居里计。Page 61.石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应左旋石英晶体左旋石英晶体石英晶体的晶轴石英晶体的晶轴Page 7xxFdQ11X 轴垂直的平面上产生的电荷 Qx，它的大小为式中：11 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C/N103.21211dPage 8正压电效应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
3、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。Page 9若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起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，且其应变产生变形，且其应变 S 与外电场强度与外电场强度 E 成正比：成正比：式中：式中：dt 逆压电常数矩阵。这种现象称为逆压电常数矩阵。这种现象称为 逆压逆压电效应电效应，或称，或称 电致伸缩电致伸缩。EdStPage 10Page 112压电材料压电材料Page 12n压电材料可分为三大类：l一是压电
4、晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶；l二是压电陶瓷(多晶半导瓷)；l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。n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。Page 13压电晶体压电晶体(a)天然石英晶体；天然石英晶体；(b)人工石英晶体；人工石英晶体；(c)右旋石英晶体理想外形右旋石英晶体理想外形Page 14压电陶瓷压电陶瓷 压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓体。所谓“多晶多晶”，它是由无数细微的单晶组成；，它是由无数细微的单晶组成；所谓所谓“铁电
5、体铁电体”，它具有类似铁磁材料磁畴的，它具有类似铁磁材料磁畴的“电电畴畴”结构。每个单晶形成一单个电畴，无数单晶电结构。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性而不具有压电性BaTiO3压电陶瓷的极化 Page 15新型压电材料新型压电材料 n压电半导体l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
6、电传感器测试系统。n有机高分子压电材料l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。l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。Page 16压电材料压电材料压电陶瓷压电陶瓷压电晶体压电晶体钛酸钡钛酸钡BaTiO3锆钛酸铅系列锆钛酸铅系列铌镁酸铅铌镁酸铅DMN铌酸锂铌酸锂LiNbO3石英石英SiO2PZT-4PZT-5PZT-8性能参数压电系数(C/N)d152604106704102200d11=2.31d31-78-100-185-90-230-25.9d14=2.31d331902004.52
7、00700487相对介电常数(r)120010502100100025003.94.5居里点温度()1153102603002601210573密度(103 kg/m3)5.57.457.57.457.64.642.65弹性模量(108 Pa)11083.311712324.580机械品质因数300250080800105105106最大安全应力(106 N/m2)817676839510体电阻率(m)1010101010101012最高允许温度()80250250350常用压电晶体和压电陶瓷材料特性常用压电晶体和压电陶瓷材料特性 Page 17UUqqCC,2,2UUqqCC2,212 等效
8、电路和测量电路等效电路和测量电路Page 18dSCeeCQU 二、压电传感器的等效电路二、压电传感器的等效电路Page 19Page 20icCCCididRRRRR tsinFFmtsinCFdCFdCqUemee三、压电传感器的测量电路三、压电传感器的测量电路Page 21)(1111111CCRjRjFdRCjRCjRCjRCjCjCFdUeeeiPage 22222)(1icemiCCCRRFdU)(2iceCCCRarctg时，1)(222iceCCCRicemiCCCFdU理想Page 231)(11iceCCCR)(iceCCCR211222)(1)(1)(iceiceiiCC
9、CRCCCRUU理想222)(1icemiCCCRRFdUPage 24211)(1|理想iiUU1)(11iceCCCR)(iceCCCR12arctg)(2iceCCCRarctgPage 25Page 260时31,3111,31理想时iiUU0Page 27Page 282、电荷放大器、电荷放大器电荷放大器原理图电荷放大器原理图Page 29ffCQUU0fificaoCQAUCACCCAQU)1(fCqUK10)(21cecHCCRfffLCRf21Page 303 压电传感器的应用压电传感器的应用Page 31Fdq11SPF例例2：压电式压力传感器压电式压力传感器Page 32例
10、例3：压电引信：压电引信Page 33Page 34例例4：火炮堂内压力测试：火炮堂内压力测试Page 35Page 36madFdqCdmaCqUmaF ma例例5：压电式加速度传感器：压电式加速度传感器Page 37产品过载冲击试验产品过载冲击试验例例6：冲击试验台的标定和检测：冲击试验台的标定和检测Page 38例例7：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统Page 39例例8：气体发生器输出特性测试气体发生器输出特性测试Page 40amadFdq例例9：振动测量仪：振动测量仪Page 41Page 42例例11：指套式电子血压计：指套式电子血压计Page 43例例12：玻璃破碎报警器：玻璃破碎报警器Page 44Page 45mMPa/01.0例例13：水深测量仪：水深测量仪Page 46vLlvf2例例14：逆压电效应的应用：逆压电效应的应用Page 47电极引线支撑安装孔1电极2电极3电极压电晶体1电极金属平板2电极3电极压电晶体例例15：用于结冰状况监测的冰传感器：用于结冰状况监测的冰传感器Page 48mkcf/km电极引线支撑安装孔1电极2电极3电极压电晶体Page 49Page 50410,10,100ApFCRRpFCFFe
