传感器技术 教学课件 陈建元 第三章 压电式传感器2.pdf

Chapter 3 第三章 压电式传感器 压电式传感器 压电式传感器是一种能量转换型 传感器。它既可以将机械能转化为电 能，又可以将电能转化为机械能。压 电式传感器是以具有压电效应的压电 器件为核心组成的传感器。 本章提要 3.1 压电效应及材料 3.1 3.1 3.2 压电传感器等效电路和测量电路 3.2 3.2 3.3 压电式传感器及其电路 3.3 3.3 3.4 声波传感技术 3.4 3.4 §3.1 压电效应及材料 主要内容 第 1. 压电效应 一 2. 压电材料 节 压电晶体 压电陶瓷 新型压电材料 3. 压电振子 §3.1.1 压电效应 压电效应（piezoelectric effect ）是指 某些介质在施加外力造成本体变形而 产生带电状态或施加电场而产生变形 的双向物理现象，是正压电效应和逆 压电效应的总称，一般习惯上压电效 应指正压电效应。 §3.1.1 压电效应 当某些电介质沿一定方向受外力作 用而变形时，在其一定的两个表面上产 生异号电荷，当外力去除后，又恢复到 不带电的状态，这种现象称为正压电效 应（positive piezoelectric effect ）。 压电式传感器大多是利用正压电效 应制成的。 §3.1.1 压电效应 当在电介质的极化方向施加电场，某些 电介质在一定方向上将产生机械变形或机械 应力，当外电场撤去后，变形或应力也随之 消失，这种物理现象称为逆压电效应 （reverse piezoelectric effect），又称 电致伸缩效应。 用逆压电效应制造的变送器可用于电声 和超声工程。 §3.1.1 压电效应 1880-1881年，雅克（Jacques ）和皮埃尔·居里（Piere Curie ）发现了这两种效应。图3-1为压电效应示意图。 （a）正电压效应 （b）压电效应的可逆性 图3-1 压电效应 §3.1.1 压电效应 一些离子型晶体的电介质（如石英、酒石酸钾钠、钛酸 钡等）在电场力作用与机械力作用下，都会产生极化现象。 为了对压电材料的压电效应进行描述，表明材料的电学量 （D、E）力学量（T、S）行为之间的量的关系，建立了压电 方程。正压电效应中，外力与因极化作用而在材料表面存储 的电荷量成正比。即： D dT 或  dT 式中 D、σ—电位移矢量、电荷密度，单位面积的电荷量，C/m2； T—应力，单位面积作用的应力，N/m2； d—正压电系数，C/N。 §3.1.1 压电效应 逆压电效应中，外电场作用下的材料应变与电场强度 成正比。即： S d E 式中 S—应