压电陶瓷的极化处理
a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布 1－镀银上电极 2－压电陶瓷 3－镀银下电极 4－电畴 5－极化高压电源 ↑－细微的电畴极化方向
压电陶瓷极化的影响因素
极化电场和极化温度越高，促使电畴取向 排列的作用越大，极化就越充分。常用压电 陶瓷材料的极化温度取320~420K，极化时间 从几分钟到几十分钟。
材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形
状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连
续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格
便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可
达80dB。
（三）高分子压电材料
高分子压电材料是一种柔性的压电元件。密度仅为 压电陶瓷的1／4，弹性柔顺常数比陶瓷大30倍。 可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、 银等金属电极，电极厚度约0.1μm，再层压在0.125mm 聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。 高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细 敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用 的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超 声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触 觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器件、 扬声器等。
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电 荷Q，在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
压电元件的等效电路
交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra 。 极间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成正比；漏
电电阻Ra应大于1MΩ。
无铅压电陶瓷
锆钛酸钡钙的压电系数达到 600pC/N ，压电性能 已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境 有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（ 250pC/N ）。 无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。
压电陶瓷与石英晶体的特性比较
.
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性 聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电
压电变压器可用于电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、 静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发
生装置。
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二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料常用的 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；第三类是经过极化处理的高分子
压电材料。
压电材料 的分类
.
石英晶体的特性
石英晶体在 20 ～ 200℃的范围内压电常数的变化量只有 -
0.0001/℃。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝
缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 石英晶体的不足之处是压电常数较小： d=2.3110-12C/N 。因此石英晶体大多只在标准传感器、高 准确度传感器或使用高温压电传感器中使用，而在一般要求的 测量中，基本上采用压电陶瓷。
逆压电效应示意图
实线代表未施加激励电压的形变前的状态 虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变后的状态。
在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出)。
鸣沙丘
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁” ——鸣沙山上的逆压电效应
煤气灶压电点火器
煤气灶上的点火器有两 种。一种为有源点火器，要
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）。
压电陶瓷外形
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷是一种多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件 下，经1000℃以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。 烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极 化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化 效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。为了使压 电陶瓷具有压电效应,必须在高温下，在上下端面镀上电极，用上千伏高电压 进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
沿 y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带负电,下表面带正电
Q d11
l

Fy
y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情况。 但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时的电荷量大几倍， 视晶片的长度与宽度之比 l/δ的倍数而不同。
石英晶体（单晶体）
石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6
个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列（氧离子是成对
出现的）。沿光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无 外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与氧离子所带负电 荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象。
天然石英晶体外形
头烧渗银电极，作为输出端，称为发电部分。当一个交变电压加到压电变
压器的输入端时，在输入端,沿厚度方向引起陶瓷体的收缩与拉伸，这种应 变沿长度方向传递，使压电变压器沿长度方向产生连续的正弦波电压（正
压电效应），将机械能转换为电能。由于长度是厚度的几十倍，又由于纵
驻波的加强效应，输出电压倍增。
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压电陶瓷高压变压器电路
天然石英晶体的三个面
从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再进 一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是工业中常
用的石英晶片。正方形薄片的6个面分别垂直于光轴（z
轴）、电轴（x轴）和机械轴（y轴）。
石英晶体切片的三个面（续）
在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面产生电荷；
在y面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。
常用的压电陶瓷材料
（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸 铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数 [d ＝ （200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的 镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同 性能的PZT材料。
（2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环 境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压 电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅 压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压 电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电 陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。
外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在上下 镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存时间通常小 于几秒，而且要求放大器的输入电阻Ri无限大,因此压电式传
感器不能用于静态力的测量。
逆压电效应
如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压，
那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电极方向 上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效应”，也叫做 “逆压电效应”。
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。
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）。
到573℃时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较
1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，
在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx
式中 的 d11称为压电常数。
2. 在 y 轴方向施加压力 Fy 时，仍然在 x 面上产生电荷：
Q d11
l

Fy
式中的 l、δ为石英 晶片的长度和厚度。
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；当施加静态力时，在 初始瞬间，产生与力成正比的电荷，但由于表面漏电， 所产生的电荷很快泄漏，并消失。
割角度。使在正常的工
作温度范围内，不至超
过所要求的容许误差。
晶片在切割、抛光的连 续加工过程中，都会因 加工的准确度不同，导 致一定的离散型，使温
度漂移变大，灵敏度不
一致等。
（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
检测与传感技术
--压电传感器
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第四章
压电传感器
一、认识压电传感器
二、压电传感器的工作原理
三、压电传感器的等效电路 四、压电传感器的结构和应用
五、电荷放大器
第一节
压电传感器的工作原理
压电式传感器的特点： 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，从而实现电量电 测的目的。
l、δ、b分别为石英 晶片的长度、厚度和高
度。电荷只产生在与x
轴垂直的x面的前后两 侧。
石英晶体的特性
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。其介电常数和压电
系数的温度稳定性相当好 ,在常温范围内这两个参数几乎不随温度变化 ,如下
两图。 在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减少0.016％。但是当
沿 y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生
分离, x面的上表面带正电,下表面带负电，
带电的方向与x面受压力时的情况相同