锆钛酸铅系压电陶瓷PZT优秀课件
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PZT压电陶瓷介绍和测试方法-PPT精选文档
P-->“Pb”（铅元素），Z-->“Zr” （锆元素），T-->“Ti” （钛元素） 特点
– 具有显著的介电、压电和铁电特性 – PZT铁电厚膜兼有块状材料和薄膜的优点，可在低压和高频条件工作
– 压电厚膜微致动器作为磁记录行业的首选材料，被用来解决硬盘驱动器磁头精确定位的难题
应用范围：机械能电能相互转换类传感器
Q Ua Ca
电荷等效模型
F
压电常数 d
Q=U*C
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
HSA （磁头悬臂装置）结构及功能介绍
PZT元件作用是利用其高压电常数特性，使读写磁头发生水平位移，从而使HSA 水平旋转和 精确寻轨
交变电压
U 型刚体 电荷变化
PZT 元件
位移变化
精确寻轨
HSA
HSA PZT 工作原理
定义
在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能材料
类别
类 别
石英晶体 压电陶瓷
材 料
单晶体、水晶 （人造、天然） 人造多晶体 压电半导体
成 分
SiO2 钛酸钡、PZT 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性
特 性
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力700-1000Kg/cm2 压电系数高 d33=190×10-11C/N 品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
– 具有显著的介电、压电和铁电特性 – PZT铁电厚膜兼有块状材料和薄膜的优点，可在低压和高频条件工作
– 压电厚膜微致动器作为磁记录行业的首选材料，被用来解决硬盘驱动器磁头精确定位的难题
应用范围：机械能电能相互转换类传感器
Q Ua Ca
电荷等效模型
F
压电常数 d
Q=U*C
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
HSA （磁头悬臂装置）结构及功能介绍
PZT元件作用是利用其高压电常数特性，使读写磁头发生水平位移，从而使HSA 水平旋转和 精确寻轨
交变电压
U 型刚体 电荷变化
PZT 元件
位移变化
精确寻轨
HSA
HSA PZT 工作原理
定义
在外力作用下产生电流，或反过来在电流作用下产生力或形变的一种功能材料
类别
类 别
石英晶体 压电陶瓷
材 料
单晶体、水晶 （人造、天然） 人造多晶体 压电半导体
成 分
SiO2 钛酸钡、PZT 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性
特 性
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定 承受压力700-1000Kg/cm2 压电系数高 d33=190×10-11C/N 品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
锆钛酸铅系压电陶瓷课件
配料与混合
按照配方比例将原料混合 均匀，保证原料的分散性 和稳定性。
预处理
对原料进行破碎、球磨、 干燥等预处理，以满足后 续成型工艺的要求。
陶瓷成型与烧成
成型方法
采用干压、等静压、流延、 凝胶注模等成型方法，制 备出所需形状和尺寸的陶 瓷胚体。
烧成制度
制定合理的烧成制度，包 括烧成温度、烧成时间和 气氛等参数，确保陶瓷的 致密化和相转化。
THANKS
感谢观看
易于加工成型
锆钛酸铅系压电陶瓷可以通过 传统的陶瓷加工技术进行成型 和加工，制成各种形状和尺寸
的元件。
锆钛酸铅系压电陶瓷的应用领域
传感器
换能器
锆钛酸铅系压电陶瓷在传感器领域应用广 泛，可用于压力、加速度、声波等物理量 的测量和检测。
利用锆钛酸铅系压电陶瓷的压电效应，可 以制作超声波换能器，用于超声波清洗、 探测、医学成像等领域。
表面加工与保护
对电极层进行加工和保护，以提高其 导电性能和使用寿命。
锆钛酸铅系压电陶瓷的性能优化
掺杂改性
总结词
通过掺入其他元素对锆钛酸铅进行改性，可以改善其压电性能、温度稳定性、机械强度等。
详细描述
掺杂改性是锆钛酸铅系压电陶瓷性能优化的重要手段之一。通过掺入适量的其他元素，如镧、锶、铋等，可以改 变锆钛酸铅的晶体结构、电学性能和机械性能。掺杂元素的作用机制包括取代铅离子、改变氧空位浓度以及调节 晶格常数等。
表面改性与电极优化
总结词
表面改性和电极优化可以提高锆钛酸铅系压电陶瓷的电性能和稳定性，同时降低制造成 本。
详细描述
表面改性和电极优化是锆钛酸铅系压电陶瓷性能优化的重要手段之一。通过表面涂覆、 化学处理、离子注入等技术手段，可以改善陶瓷表面的电学性能和机械性能，提高其稳 定性。电极优化包括选择合适的电极材料、调整电极厚度和覆盖范围等，以提高压电陶
压电陶瓷幻灯片课件
在一定电场强度范围内，电场强度与形变呈线性可逆关系，这种
效应称为逆压电效应。
-
+
+
+
-
+ -
压电效应的本质：机械作用引起 介质极化
晶体中离子电荷的位移，当不
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
存在应变时电荷在晶格位置上分
极化方向
布是对称的，所以其内部电场为
－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
零。但当给晶体施加应力则电荷 发生位移，如果电荷分布不在保（实线正代压表电形效变应前示的意情图况，虚线 持对称就会出现净极化，并将伴 代表形变后的情况）
酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶 解的缺点 ）；
磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
（2）.聚合物 PVF2（聚二氟乙烯）
（3）.压电陶瓷
并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶 体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧 化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。
Pizoelectric Ceramics
压电陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钛酸铋钠及应用
Bi0.5Na0.5TiO3 钙钛矿型晶体，有
希望取代铅基压电材料
<001>
<111>
<110>
Perovskite Structure
日本共同社报道，JR东日本公司将从10日开 始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地 板”试验。本次试验的目标是实现一人通过 时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力，并 希望在不久的将来实现用“发电地板”维持 自动检票机在处理IC卡时所需的电力。
变化较大。 1P压9b电5T4i性O年能3美(P国ZTB)·固贾溶菲体等系人统，。发优现点了：压非电常Pb强Z与rO稳3 定- 的 在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具
效应称为逆压电效应。
-
+
+
+
-
+ -
压电效应的本质：机械作用引起 介质极化
晶体中离子电荷的位移，当不
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
存在应变时电荷在晶格位置上分
极化方向
布是对称的，所以其内部电场为
－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
零。但当给晶体施加应力则电荷 发生位移，如果电荷分布不在保（实线正代压表电形效变应前示的意情图况，虚线 持对称就会出现净极化，并将伴 代表形变后的情况）
酒石酸钾纳（在常温下有压电性，技术上有使用价值，但有易溶 解的缺点 ）；
磷酸铵低于-14 8℃下才有压电性，工程使用价值不大。
（2）.聚合物 PVF2（聚二氟乙烯）
（3）.压电陶瓷
并非所有的陶瓷都具有压电效应。作为压电陶瓷的原材料，在晶 体结构上一定是不具有对称中心的晶体，如氧化铅、氧化锆、氧 化钛、碳酸钡、氧化铌、氧化镁、氧化锌等。
Pizoelectric Ceramics
压电陶瓷
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
钛酸铋钠及应用
Bi0.5Na0.5TiO3 钙钛矿型晶体，有
希望取代铅基压电材料
<001>
<111>
<110>
Perovskite Structure
日本共同社报道，JR东日本公司将从10日开 始在东京站八重洲北口第三次进行“发电地 板”试验。本次试验的目标是实现一人通过 时产生令100瓦的灯泡发光0.1秒的电力，并 希望在不久的将来实现用“发电地板”维持 自动检票机在处理IC卡时所需的电力。
变化较大。 1P压9b电5T4i性O年能3美(P国ZTB)·固贾溶菲体等系人统，。发优现点了：压非电常Pb强Z与rO稳3 定- 的 在1970年后，添加不同添加剂的二元系PZT陶瓷具
压电陶瓷PPT课件
>Tc
立方顺电相
PbZrO3和PbTiO3的结构相同，Zr4+与Ti4+的半径相近，故两者可形成无 限固溶体，可表示为Pb(ZrxTi1-x)O3，简称PZT瓷。
§ 7-1 压电陶瓷
1. PbZrO3-PbTiO3系压电陶瓷 （1）PbZrO3-PbTiO3系陶瓷的相结构
§ 7-1 压电陶瓷
§ 7-1 压电陶瓷
2. 钨青铜型结 • [BO6构]氧八面体以顶角相连构
成骨架。
• B离子为Nb、Ta、W等。
• [BO6]骨架间存在三种空隙： A1（较大）、A2（最大）、C （最小）
• 氧八面体中心因所处位置的 对称性不同可能为B1和B2
• 填满型与非填满型。
钨青铜结构在（001)面上的投影
§ 7-1 压电陶瓷
具有压电效应的材料称为压电材料。 压电材料能实现机—电能量的相互转换。
机械量
压 电 元件
电量
压电效应的可逆性
§ 7-1 压电陶瓷
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但 压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的 压电材料。
输入的电能电能转变所得的机械能输入的机械能机械能转变所得电能精选ppt24常用的有横向机电耦合系数k31纵向机电耦合系33以及沿圆片的半径方向振动的平面机电耦合系数k33纵向机电耦合系数31横向机电耦合系数径向机电耦合系数精选ppt25124机械品质因素q逆压电效应使压电材料产生形变形变又会产生电信号如果压电元件上加的交流信号频率与元件振子的固有振动频率f相等时便产生谐振
掺入少量稀土、NiO、MnO2等，可促进烧结。 晶粒大小与机电耦合系数k有关。
§ 7-1 压电陶瓷
压电陶瓷ppt课件
其它几种重要的压电陶瓷包括
PbTiO3- PbZrO3；
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Pb(Co1/3Nb2/3)O3- PbTiO3- PbZrO3 ；
Na0.5K0.5NbO3 ；Pb0.6Ba0.4Nb2O6 ；
BNT(B0.5Na0.5TO3)、KNN(K0.5Na0.5NbO3）等。
还具有热电性；铁电体也是一种极性晶体，属于热电体，因 而也是压电体。
2
3. 压电陶瓷
陶瓷—多晶体—各晶粒之间的压电效应会相互 抵消；
人工极化：经直流强电场极化处理过的铁电陶 瓷，使晶粒中的所有电畴都尽可能地转向了电 场的方向，铁电晶体所固有的压电效应就会在 陶瓷材料上呈现出来。因此，压电陶瓷实际上 也就是经过直流强电场极化处理过的铁电、压 电陶瓷。
3
表征参数
机电偶合系数K
or：
K
2
由压电效应转换的电能 储入的机械能总量
K
2
由逆压电效应转换的机械能 储入的电能总量
K值越大，材料的压电耦合效应越强。 除此之外，还有压电系数d、机械品质因素Q、
弹性系数S和频率常数N等。
4
主晶相结构
钙钛矿型、钨青铜型、焦绿石型、含钛层状结构。
目前应用最广泛的是BaTiO3、PbTiO3、 PbZrO3等, 都属钙钛矿型晶胞结构。
§9.5 压电陶瓷
压电陶瓷（piezoelectric ceramics） ——具有压电效应的陶瓷材料，
即能进行机械能与电能相互转变的 陶瓷； 制备方便，成本低廉，发展迅速， 一类重要的功能陶瓷材料； 目前，压电陶瓷在工程方面的应用， 甚至超过了压电晶体。
1
一、压电效应及陶瓷压电机制
压电陶瓷分析PPT课件
➢ 以上原料经水洗去除一些水溶杂质后烘干，然后进行 煅烧粉碎，通常希望颗粒度在2um以下。
2021
8
（2）预烧
经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的 是为了使化学反应充分进行。
实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽 的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果 偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间）， 也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时 间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。
瓷的必要工序及制作方法。 压电陶瓷生产的主要工艺流程：
配料→球磨→过滤、干燥→预烧→二次球磨→过滤、 干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→ 烧银→极化→测试。
2021
7
（1） 原料处理
➢ 原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来 说， 希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的 原料，如 Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等， 若纯度 低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量 的原料则纯度要求相对低些。
❖ 1940年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种 缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。
❖ 第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶 瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电 性弱和压电性随温度变化大的缺点。
2021
14
❖ 1954年Leabharlann 国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3
2021
22
（1）压电陶瓷变压器
❖ 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电 压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆 压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分 的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正压电效应 产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换， 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。
2021
8
（2）预烧
经过煅烧粉碎的原料混合配料后要进行预烧，其目的 是为了使化学反应充分进行。
实验表明，如果预烧温度恰当，烧结温度可以在很宽 的范围内波动，对致密度无显著影响，预烧温度如果 偏低，烧成温度无论如何提高（或延长保温时间）， 也不能得到很高的致密度。此外，预烧温度和保温时 间比较起来，预烧温度所起作用更为重要。
瓷的必要工序及制作方法。 压电陶瓷生产的主要工艺流程：
配料→球磨→过滤、干燥→预烧→二次球磨→过滤、 干燥→过筛→成型→排塑→烧结→精修→上电极→ 烧银→极化→测试。
2021
7
（1） 原料处理
➢ 原料的纯度是制备优良压电陶瓷的首要条件。通常来 说， 希望原料的纯度要高一些，特别是用量比较大的 原料，如 Pb3O4（或PbO）、ZrO2和TiO2等， 若纯度 低，引入杂质总量就很大，所以纯度要高些。小剂量 的原料则纯度要求相对低些。
❖ 1940年以前，只有单晶体压电材料，由于存在多种 缺点（如易溶于水），未能得到广泛应用。
❖ 第一批商业性压电陶瓷器件是美国人在1947年用陶 瓷制造的BaTiO3留声机拾音器，但BaTiO3存在压电 性弱和压电性随温度变化大的缺点。
2021
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❖ 1954年Leabharlann 国B.贾菲等人发现了PbZrO3-PbTiO3
2021
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（1）压电陶瓷变压器
❖ 压电变压器是利用极化后压电体的压电效应来实现电 压输出的。其输入部分用正弦电压信号驱动，通过逆 压电效应使其产生振动，振动波通过输入和输出部分 的机械藕合到输出部分，输出部分再通过正压电效应 产生电荷，实现压电体的电能-机械能-电能的两次变换， 在压电变压器的谐振频率下获得最高输出电压。
材料物理压电陶瓷PPT课件
2021/5/6
电极
－－－－－ ＋＋＋＋＋
极化方向
自由电荷 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附
的自由电荷示意图
2
第2页/共85页
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
稳定性好。此外，在锆钛酸中添加一种或两种其它微量
元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）还可以获得不同性能
的PZT材料。因此锆钛酸铅系压电陶瓷是目前压电式传
2021/5/6 感器中应用最广泛的压电材料。
15
第15页/共85页
（3）压电聚合物
聚二氟乙烯（PVF2）是目前发现的压电效应较强的 聚合物薄膜，这种合成高分子薄膜就其对称性来看，不 存在压电效应，但是它们具有“平面锯齿”结构，存在 抵消不了的偶极子。经延展和拉伸后可以使分子链轴成 规则排列，并在与分子轴垂直方向上产生自发极化偶极 子。当在膜厚方向加直流高压电场极化后，就可以成为 具有压电性能的高分子薄膜。这种薄膜有可挠性，并容 易制成大面积压电元件。这种元件耐冲击、不易破碎、 稳定性好、频带宽。为提高其压电性能还可以掺入压电 陶瓷粉末，制成混合复合材料(PVF2—PZT)。
➢表示在振动转换时，材料内部能量损耗的程度； ➢Qm全面越高，能量损耗就越小； ➢产生的原因是存在内摩擦。
PZT压电陶瓷介绍和测试方法PPT课件
受力、表面形变 压电器件 电荷
表现形式
.
Page 6
基本知识介绍
等效模型
正压电效应和逆压电效应等效模型如下：
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
压电介质
HSA PZT 结构示意图
U 型刚体
悬臂弹性区 压电微制动器 滑块
音圈电机
悬臂刚性区
HSA 系统架构
.HSA PZT 结构切片示意图
PZT 元件
PZT 元件
环氧胶
U 型刚体
环氧胶
HSA 压电微制动器
Page 9
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
PZT 不良背景介绍
.
Page 10
The End
.
Page 11
品种多、性能各异
集成压电传感器
质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
参数
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
Page 3
基本知识介绍
压电材料
PZT 压电陶瓷 （锆钛酸铅陶瓷）---压电效应
基本知识介绍
等效电路
静电发生器或绝缘介质平板电容器：外部机械硬力作用下，电极两端产生极性相 反电量相等的电荷
机械应力 F
+++++ 等效
____ _
电极
表现形式
.
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基本知识介绍
等效模型
正压电效应和逆压电效应等效模型如下：
正压电效应：F（应力或形变）输入--->Q\U （电量或电压） 逆压电效应： Q\U （电量或电压）输入--->F（应力或形变）输出
压力输入F
电压输出
形变输出
电压输入
压电介质
压电介质
HSA PZT 结构示意图
U 型刚体
悬臂弹性区 压电微制动器 滑块
音圈电机
悬臂刚性区
HSA 系统架构
.HSA PZT 结构切片示意图
PZT 元件
PZT 元件
环氧胶
U 型刚体
环氧胶
HSA 压电微制动器
Page 9
HSA PZT 压电陶瓷应用介绍
PZT 不良背景介绍
.
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The End
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品种多、性能各异
集成压电传感器
质轻柔软、抗拉强度高、 机电耦合系数高
参数
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
Page 3
基本知识介绍
压电材料
PZT 压电陶瓷 （锆钛酸铅陶瓷）---压电效应
基本知识介绍
等效电路
静电发生器或绝缘介质平板电容器：外部机械硬力作用下，电极两端产生极性相 反电量相等的电荷
机械应力 F
+++++ 等效
____ _
电极
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强度较差；
• 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）：性能教稳定，压电常
数较高；
• 铌酸盐系压电陶瓷：居里点较高和机械强度较高； • 铌镁酸铅压电陶瓷：居里点和压电常数较高，
可在高温及高压下工作。
有机压电材料（压电橡胶、塑料等） 柔软、不易破碎，可大量生产，面积较大
10
常用压电材料性能参数
11
２、压电式传感器
前置放大器的作用： 放大压电元件的微弱信号； 高阻抗输入变为低阻抗输出。
17
１. 电压放大器
18
电压输出型压电传感器测量电路
19
２.电荷放大器
20
电荷输出型压电传感器测量电路
21
５.３ 压电式传感器的应用
压电元件是一种典型的力敏感元件。具有体积小、 重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏 度和信嗓比高等优点，应用广泛。在检测技术中， 常用来测量力和加速度等。
7
压电材料
❖ 对压电材料的要求： ①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常 数； ②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强 度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有 振动频率； ③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期 望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； ④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望 得到宽的工作温度范围； ⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
Ca
r0S
式中 s -- 极板面积
r -- 压电材料相对介电常数 0 -- 真空介电常数 δ-- 压电元件厚度
14
压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正负电 荷Ｑ，压电元件的开路电压Ｕ为
U Q / Ca
等效电路
15
实际等效电路
电荷等效电路
电压等效电路
16
测量电路
压电传感器的测量系统如图
上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加
一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，
变形也随着消失，称为逆压电效应。
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ石英晶体
Qx d11Fx
3
石英晶体压电效应示意图
沿X轴或Y轴作用力，产生压电效应； 沿Z轴作用力，不产生压电效应
4
压电片受力电荷极性
纵向压电效应 （沿X轴作用力）
横向压电效应 （沿Y轴作用力）
它的主要缺点是无静态输出，要求有很高的输出阻 抗，且一些压电材料的工作温度不高。
22
１、压电式测力传感器
23
２、压电式加速度传感器
F ma
24
３、压电式报警器
25
４、压电式测量均匀压力传感器
26
压电式压力传感器
27
压电元件的连接形式
C 2C, U U ,Q 2Q C C / 2 ,U 2U, Q Q
12
压电元件受力后的变形方式：
13
５.２ 等效电路和测量电路
压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量 的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。
压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料 为电介质的电容器，其电容量为：
8
❖ 分类：
单晶体
• 石英（SiO2）：最早使用，天然晶体，稳定，高
强度，温度稳定性好，但压电常数小；
• 水溶性压电晶体（酒石酸钾钠、硫酸锂等）：
压电常数大，但受温、湿度影响大；
• 铌酸锂晶体：耐高温、压电性能和时间稳定性好，
但质脆，热冲击性差；
9
多晶体（压电陶瓷）
• 钛酸钡压电陶瓷：压电常数高，价格便宜，但机械
石英晶体受力方向与电荷极性的关系
5
压电陶瓷
压电陶瓷的极化过程和压电原理图
6
压电方程与压电系数
q dijσ （dij——压电常数）
压电常数下标的含义：
• 第一个下标：表示极化方向， i=1,2,3分别代表X，Y，Z轴； • 第二个下标：表示作用力的方向，
剪切力的作用方向
j=1,2,3,4,5,6分别代表沿X轴，Y轴，Z轴方向的单向应力和 垂直于X轴，Y轴，Z轴平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作 用的剪切力；
第5章 压电式传感器
本章主要介绍以下内容: 1、压电式传感器工作原理 2、等效电路和测量电路 3、压电式传感器的应用 重点是掌握压电式传感器的转换原理，两种放大
电路的分析及传感器的应用。
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５.１ 工作原理
１、压电效应及压电材料
对于某些晶体或陶瓷： 当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现
象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又恢复到不带电状态； 当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。
• 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）：性能教稳定，压电常
数较高；
• 铌酸盐系压电陶瓷：居里点较高和机械强度较高； • 铌镁酸铅压电陶瓷：居里点和压电常数较高，
可在高温及高压下工作。
有机压电材料（压电橡胶、塑料等） 柔软、不易破碎，可大量生产，面积较大
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常用压电材料性能参数
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２、压电式传感器
前置放大器的作用： 放大压电元件的微弱信号； 高阻抗输入变为低阻抗输出。
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１. 电压放大器
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电压输出型压电传感器测量电路
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２.电荷放大器
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电荷输出型压电传感器测量电路
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５.３ 压电式传感器的应用
压电元件是一种典型的力敏感元件。具有体积小、 重量轻、结构简单、工作可靠、固有频率高、灵敏 度和信嗓比高等优点，应用广泛。在检测技术中， 常用来测量力和加速度等。
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压电材料
❖ 对压电材料的要求： ①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常 数； ②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强 度高、机械刚度大。以期获得宽的线性范围和高的固有 振动频率； ③电性能：希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期 望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性； ④温度和湿度稳定性要好：具有较高的居里点、以期望 得到宽的工作温度范围； ⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
Ca
r0S
式中 s -- 极板面积
r -- 压电材料相对介电常数 0 -- 真空介电常数 δ-- 压电元件厚度
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压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正负电 荷Ｑ，压电元件的开路电压Ｕ为
U Q / Ca
等效电路
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实际等效电路
电荷等效电路
电压等效电路
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测量电路
压电传感器的测量系统如图
上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加
一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，
变形也随着消失，称为逆压电效应。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ石英晶体
Qx d11Fx
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石英晶体压电效应示意图
沿X轴或Y轴作用力，产生压电效应； 沿Z轴作用力，不产生压电效应
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压电片受力电荷极性
纵向压电效应 （沿X轴作用力）
横向压电效应 （沿Y轴作用力）
它的主要缺点是无静态输出，要求有很高的输出阻 抗，且一些压电材料的工作温度不高。
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１、压电式测力传感器
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２、压电式加速度传感器
F ma
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３、压电式报警器
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４、压电式测量均匀压力传感器
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压电式压力传感器
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压电元件的连接形式
C 2C, U U ,Q 2Q C C / 2 ,U 2U, Q Q
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压电元件受力后的变形方式：
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５.２ 等效电路和测量电路
压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量 的大小来反映的，因此它相当于一个电荷源。
压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料 为电介质的电容器，其电容量为：
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❖ 分类：
单晶体
• 石英（SiO2）：最早使用，天然晶体，稳定，高
强度，温度稳定性好，但压电常数小；
• 水溶性压电晶体（酒石酸钾钠、硫酸锂等）：
压电常数大，但受温、湿度影响大；
• 铌酸锂晶体：耐高温、压电性能和时间稳定性好，
但质脆，热冲击性差；
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多晶体（压电陶瓷）
• 钛酸钡压电陶瓷：压电常数高，价格便宜，但机械
石英晶体受力方向与电荷极性的关系
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压电陶瓷
压电陶瓷的极化过程和压电原理图
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压电方程与压电系数
q dijσ （dij——压电常数）
压电常数下标的含义：
• 第一个下标：表示极化方向， i=1,2,3分别代表X，Y，Z轴； • 第二个下标：表示作用力的方向，
剪切力的作用方向
j=1,2,3,4,5,6分别代表沿X轴，Y轴，Z轴方向的单向应力和 垂直于X轴，Y轴，Z轴平面（即YZ平面，XZ平面，XY平面）作 用的剪切力；
第5章 压电式传感器
本章主要介绍以下内容: 1、压电式传感器工作原理 2、等效电路和测量电路 3、压电式传感器的应用 重点是掌握压电式传感器的转换原理，两种放大
电路的分析及传感器的应用。
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５.１ 工作原理
１、压电效应及压电材料
对于某些晶体或陶瓷： 当沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现
象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又恢复到不带电状态； 当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。