传感器原理8压电式传感器.ppt
压电传感器的工作原理优秀课件
灵 敏 度：0.1～1000mV/pC 频率范围：0.3～100KHz
噪声(最大增益)：折合至输入端小于5µV 准 确 度：1% 最大输出：±10V/10mA 电 源：220V/50Hz 控制方式： 计算机或手动
焊接式 电荷放大器
24.10.2020
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超小型电荷放大器模块
主要指标:
灵 敏 度：1、10、100mV/pC(任选一档) 频率范围：0.3～100KHz(上、下限可选) 噪声(最大灵敏度)：输出端小于1mV 归 一 化：外接电阻调整 线性误差：1% 最大输出：±5V或±10V 电 源：±6V～±15V
24.10.2020
4
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。
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（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
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10
压电陶瓷外形
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无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
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高分子压电薄膜及拉制
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（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。
压电式传感器 原理
压电式传感器原理
压电式传感器是一种常见的传感器类型，它利用压电效应来检测和转换压力、应变、加速度和力的变化。
压电效应指的是当一些特定的晶体或陶瓷材料受到压力或应变时，会产生电荷的聚集或分离，从而形成电压信号。
这种材料被称为压电材料。
常见的压电材料包括石英、压电陶瓷和聚偏二氟乙烯等。
压电式传感器的工作原理是将压电材料作为传感器的感应元件，当外界施加压力或应变时，材料会发生弹性变形，从而产生电荷的分布变化。
这个变化可以通过电极连接在压电材料上的方式来测量。
为了测量这一电荷信号，压电式传感器通常由压电材料、电极和信号调理电路组成。
当外部压力或应变作用于传感器时，压电材料产生电荷，在电极中产生电压。
信号调理电路会将这个电压信号放大、过滤和转换成可读取的信号，比如电流或电压。
压电式传感器具有许多优势，如高精度、快速响应、宽频率范围和良好的耐用性。
这些特点使得压电式传感器广泛应用于工业控制、机械测量、医疗设备和汽车工程等领域。
值得注意的是，压电式传感器的输出信号与外部压力或应变之间存在一定的非线性关系，因此在实际应用中需要进行校准和补偿。
另外，在选择和使用压电式传感器时，还需考虑适当的电极设计、尺寸选取以及工作环境对传感器性能的影响。
压电式传感器及应用解读
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压电元件的等效电路
压电元件等效为一个与电容相并联的电荷源，也 可以等效为一个与电容相串联的电压源，
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休息一下！！
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8.3压电式传感器的应用 8.3.1 压电传感器的基本结构
在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电 晶片粘结在一起。其中最常用的是两片结构。由于压电元 件上的电荷是有极性的，因此接法有串联和并联两种 串联接法输出电压高，本身电容小，适用于以电压为输出 量及测量电路输入阻抗很高的场合；并联接法输出电荷大， 本身电容大，因此时间常数也大，适用于测量缓变信号， 并以电荷量作为输出的场合。
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压电元件实际的等效电 路图
压电式传感器不能用于静态测量。压电元件只有 在交变力的作用下，电荷才能源源不断地产生， 可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动 态测量。
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8.2.2 压电式传感器测 量电路
压电式传感器的内阻很高，要求与高输入阻抗的 前置放大电路配合，与一般的放大、检波、显示、 记录电路连接，防止电荷的迅速泄漏而使测量误 差减少。 压电式传感器的前置放大器的作用有两个：一是 把传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出；二是把 传感器的微弱信号进行放大。
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本章小结 某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时， 内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产 生相反的电荷；当外力去掉后，电介质又重新恢 复为不带电状态；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，这种现象被称为压电效应。相 反，当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质 也会产生变形，这种现象称为“逆压电效应” （电致伸缩效应）。 在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效 应十分微弱。应用于压电式传感器中的压电元件 材料一般有三类：石英晶体、经过极化处理的压 电陶瓷、高分子压电材料。
压电式传感器原理
压电式传感器原理压电式传感器是一种常用的传感器类型，它利用压电效应来将机械应力转换为电信号。
压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到机械应力作用时，会产生电荷分布不均匀的现象。
这种现象被称为压电效应，而利用这种效应制成的传感器就是压电式传感器。
压电式传感器的工作原理非常简单直观。
当传感器受到外部力或压力作用时，传感器内部的压电材料会发生形变，导致电荷分布不均匀。
这些不均匀的电荷会产生一个电势差，从而产生一个电信号。
这个电信号可以被放大和处理，最终转换成我们可以理解的物理量，如力、压力、加速度等。
压电式传感器的工作原理可以用一个简单的例子来解释。
想象一个压电陶瓷材料制成的传感器，当这个传感器受到外部力作用时，陶瓷材料会产生微小的形变。
这种形变会导致陶瓷材料内部的电荷分布不均匀，从而产生一个微弱的电信号。
通过放大和处理这个电信号，我们就可以获得关于外部力的信息。
压电式传感器具有许多优点，其中最显著的是灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小等。
这些优点使得压电式传感器在各种工业和科学领域得到广泛应用。
比如在汽车制造业中，压电式传感器可以用来检测引擎的振动情况；在医疗领域，压电式传感器可以用来监测心脏的跳动情况。
除了上述应用外，压电式传感器还可以用于声波传感、压力传感、加速度传感等领域。
由于其工作原理简单、性能优越，压电式传感器在现代科技领域有着广阔的应用前景。
总的来说，压电式传感器是一种利用压电效应将机械应力转换为电信号的传感器。
它的工作原理简单直观，具有高灵敏度、快响应速度等优点，因此在各种领域得到广泛应用。
随着科技的不断发展，压电式传感器的应用范围将会更加广泛，为人类的生活和工作带来更多便利。
压电式传感器原理
压电式传感器原理
一、什么是压电式传感器
压电式传感器是一种由电容式传感器演变而来的电磁式传感器，它利用晶体管在物理变化时所产生的电容效应，来对外界环境作出反应。
压电式传感器可以改变电容大小、变换电压幅度、改变电流流向、改变极性、改变电容量等，可以检测出外界压力、温度、拉力、拨动力等的变化。
二、压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是，当一个外力施加在晶体片上时，由于晶体与晶体之间电子的运动受到外力的影响，在晶体的正线上的电容变化，把外力的变化转化成电容变化。
由于电容变化会改变电路中的电流，因此可以检测到外力的变化。
三、压电式传感器的特点
1、结构紧凑：压电式传感器具有小尺寸、低成本和机械结构紧凑的特点，使它成为其他传感器技术所不可取代的传感器。
2、高灵敏度：由于电容改变量可达几微安的级别，使得压电式传感器具有极高的灵敏度，可以自动感知微小外界变化。
3、快速响应：压电式传感器的信号响应速度很快，具有良好的动态特性，并且能够保持较高的精度和准确度。
4、广泛的应用：压电式传感器可广泛应用于航空航天、汽车、电子仪表、运动控制、重力检测和高精度测量等领域。
- 1 -。
压电式传感器 ppt课件
ppt课件
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6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 是 一 个 单 元 组
体中构成石英晶体的硅离子和氧离子
在垂直于z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分 布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的 电偶极矩P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
ppt课件
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6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 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。
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
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
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6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
传感器的类型ppt课件
.
§3-1传感器的定义
一、传感器的定义（ Transducer/Sensor ） ▪ 定义：将被测参量转换为与之对应的，易
于测量，传输和处理的信号的装置。
GB7665一87：能够感受规定的被测量并按 照一定规律转换成可用输出信号的器件或 装置。
.
§3-2-2 电位计式传感器
回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化。
其灵敏度
S
dR
d
k
式中α—转角[rad]
kα—单位弧度对应的电阻值。
.
§3-2-2 电位计式传感器
非线性变阻器式传感器，或称为函数电位器。 当被测量与电刷位移x之间具有某种函数关系时， 通过它可以获得输出电阻与输入被测量的线性关 系。设r(x)为电位器任意瞬时位置（微小区间Δx） 内的电阻，则电阻位移为x时总电阻值为：
KS由两部分组成：
前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起，一般
金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；
后一部分为
l
/，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。
/l
对金属材料，以前者为主，则KS≈ 1+2μ；
对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。
实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴
第三章 传感器
§3-1 §3-2 §3-3 §3-4 §3-6
传感器的概念 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器
.
第三章 传感器
▪ 传感器是人类五官的延长，又称之为电五 官；
信息 传感器技术 通信技术 计算机技术
压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理是基于压电效应的。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力或电场作用下，会产生电荷的现象。
压电式传感器通常由压电材料和电极组成。
当外界施加压力或力量作用在压电材料上时，压电材料会发生分子结构的畸变，从而产生电荷的偏移。
这个电荷的偏移量与所施加的压力大小成正比。
压电传感器中的电极会收集这些电荷，产生对应的电压信号。
为了提高传感器的灵敏度和稳定性，常常在压电材料的两侧加上金属电极，形成一个电场。
这个电场可以使压电材料更容易产生电荷的偏移，从而提高传感器的灵敏度。
压电式传感器适用于各种应用领域，比如重量测量、压力检测、加速度测量等。
在重量测量方面，压电式传感器可以通过测量压电材料上产生的电荷量来计算受测物体的重量。
在压力检测方面，传感器可以通过测量压电材料上产生的电压信号来计算作用在传感器上的压力大小。
在加速度测量方面，压电式传感器可以通过测量压电材料上产生的电荷量来计算物体的加速度。
总之，压电式传感器利用压电效应实现对压力、重量以及加速度等物理量的测量。
通过测量压电材料上产生的电荷量或电压信号，可以计算出所测量物理量的值。
压电式传感器
第8章压电式传感器 压电传感器是一种电能量型传感器，它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。
在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，实现力与电荷的转换，所以它能测量最终转换为力的物理量，如压力、加速度等。
最常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。
压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等优点。
近年来，由于电子技术迅猛发展，随着与之配套的二次仪表，以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器使用更为方便，集成化、智能化的新型压电传感器也正在被开发出来。
8.1 压电效应对某些电介质，当沿着一定方向对它施加压力时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，它又重新恢复为不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。
晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，这种现象称为压电效应。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质也会产生变形，当外电场撤离时，变形也随着消失，这种现象称为逆压电效应。
具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。
8.1.1 石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一，图8.1（a ）所示为天然结构的石英晶体理想外形，它是一个正六面体，在晶体学中可以用三根相互垂直的轴x 、y 、z 来表示它们的坐标，如图8.1（b ）所示。
z 轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，晶体沿光轴z 方向受力时不产生压电效应；经过正六面体棱线并垂直于光轴的x 轴为电轴，晶体在沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，纵向压电效应最为显著；与z 轴和x 轴同时垂直的轴为y 轴，y 轴垂直于正六面体的棱面，称为机械轴，晶体沿机械轴y 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应，在y 轴上加力产生的变形最大。
从石英晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图8.1（c ）所示。
《压电传感器》课件
接线与调试
按照说明书的接线图进行 正确接线，并进行必要的 调试和校准，以确保传感 器正常工作。
压电传感器的日常维护
定期检查
定期检查传感器的外观、 连接线和固定情况，确保 传感器无损坏、无松动。
清洁与除尘
定期清洁传感器表面，保 持清洁，避免灰尘和污垢 影响测量精度。
防潮防震
在潮湿和震动环境中使用 时，采取相应的防潮和防 震措施，以保护传感器不 受损坏。
《压电传感器》PPT课件
目 录
• 压电传感器简介 • 压电传感器的类型与结构 • 压电传感器的特性分析 • 压电传感器的使用与维护 • 压电传感器的发展趋势与展望
01
压电传感器简介
压电传感器的工作原理
01
压电传感器是一种利用压电效应 原理制成的传感器。当受到外力 作用时，压电材料会产生电荷， 从而实现对压力的测量。
压电元件
是压电传感器的主要部 分，负责将压力信号转
换为电信号。
信号处理电路
对压电元件输出的电信 号进行处理，包括放大
、滤波、补偿等。
输出接口
将处理后的信号输出到 外部设备，如计算机、
显示器等。
保护壳体
保护传感器免受外界环 境的影响，如温度、湿
度、尘埃等。
压电传感器的材料
压电晶体
如石英、钛酸钡等，具有较高的压电常数和灵敏度。
用于血压、心电等生理参数的 测量，为医疗诊断提供准确数 据。
环境监测
用于气象、地震、水文等领域 的气压、风速、流量等参数的 测量，为环境保护和灾害预警
提供支持。
压电传感器的优缺点
优点
高灵敏度、高精度、低迟滞、抗干扰能力强、稳定性好等。
缺点
易受温度、湿度等环境因素影响，需要定期校准和维护，成 本较高。
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质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种 将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致 伸缩效应--驱动器。
极化面 F Q
F
机械能｛
压电效应及可逆性
逆压电效应 压电介质 正压电效应
｝电能
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2
压电传感器的特点
➢ 力敏感传感器，可测力、压力、加速度等 ➢ 双向有源传感器 ➢ 体积小、重量轻 ➢ 结构简单、工作可靠 ➢ 频带宽
X
+ P P+
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-P 3+
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受到Z方向的力—没有压电效应产生
X
-
Hale Waihona Puke Y+ P2 P1 +
- P3
-
+
如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完 全相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明 沿z轴方向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。
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压电陶瓷极化处理
E
✓在陶瓷上施加外电场时, 电畴的极化方向发生转动, 趋向于按外电场方 向的排列, 从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全 地转向外电场方向。
✓让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度, 即所有电畴极化方 向都整齐地与外电场方向一致时, 外电场去掉后, 电畴的极化方向变化 不大, 即剩余极化强度很大, 这时的材料才具有压电特性。
y
➢ 晶体分右（左）旋 x
➢ 外形规则
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石英晶体的三个晶轴
➢ 光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双 折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。
➢ 电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面 上压电效应最强。
➢ 机械轴（Y轴）：垂直于XZ面，在电场作用下， 该轴方向的机械变形最明显。
•j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单 向正应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪 切应力
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压电特性的矩阵表示
1
1 d11
2
d21
3 d31
d12 d22 d32
d13 d23 d33
d14 d24 d34
d15 d25 d35
电偶极矩在y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。
(ppp) 0 1 2 3z
✓当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之改变。
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受到Y方向的力—横向压电效应
(p 1p 2p 3)x 0 (p 1p 2p 3)y0 Y (p 1p 2p 3)z 0
✓当晶体受到沿y轴方向的压力作用时, P3 增大, P1、P2 减小。 ✓在垂直x轴表面上出现电荷, 它的极性为： x轴正向为负。 在y轴方向上不出现电荷。 ✓当作用力方向相反时, 电荷的极性也随之 改变。
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面积
z(3)
y(2)
z
(3)
(3 ) 3 5
6
i j = d i j j
i =1、2、3 j =1、2、3、4、5、6
4 (2) (2) y
2
x(1)
( 1)
x
(1)
1
X0°切型石英晶体切片的力 —— 电分布
•i(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，即在i面上产生电 荷。1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面
第八章 压电式传感器
研究内容：
➢压电效应 ➢压电材料 ➢压电传感器的等效电路与测量线路 ➢压电式传感器：
✓加速度传感器 ✓力传感器 ✓压力传感器
➢压电式传感器的误差分析
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§8.1 压电效应
➢顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向的外力作
用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷， 当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转 换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。
d16 d26 d36
5432
✓极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。
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压电效应演示
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三、压电常数和表面电荷计算
1、压电效应的表达式：
ij dij j
σj: j方向的应力
dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数
ij:j方向的力在i面产生的电荷密度
q 电荷量： ij ijAi
与磁电式传感器的比较：
1）磁电式速度传感器响应频率范围窄； 2）磁电式机械运动部件容易损坏； 3）磁电式传感器质量大，造成系统附加质量大。
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压力变送器部件
压电传感器的外形
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压力变送器
各种小巧的压力传感器
4
一、石英晶体（SiO2)的压电效应
z
特点：
➢ 石英晶体是各向异性晶体
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受到三向等压力—没有压电效应产生
X
-
Y
+ P2 P1 +
- P3
-
+
如果沿x、y、z轴方向施加相同的作用力, 只有体积变化，没有形变， 正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零， 晶体不会产生压电效 应，即没有体积变形的压电效应。
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12
二、压电陶瓷的压电效应
✓压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。如 BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3 。
✓材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一 定的极化方向, 从而存在电场。
✓在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们 的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。 因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质。
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受到X方向的力—纵向压电效应
X
-
Y
+ P2 P1 +
- P3
-
+
(p p p ) 0 1 2 3x
✓晶体沿x方向将产生压缩变形, 正负离子的相对 位置也随之变动。 此时正负电荷重心不再重合。
(p p p )0 1 2 3y
✓电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、 P2的增加而不等于零, 在x轴的正方向出现正电荷,
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石英晶体压电效应机理
L 2O2-
Si4+
电偶极矩P=qL, q为电荷量, L为正负电荷之间距离。
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X
-
Y
+ P2 P1 +
- P3
-
+
p1p2p30
当石英晶体未受外力作用时, 正、负离子正好分布在正六 边形的顶角上, 形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、 P2、P3。此时正负电荷重心重合, 电偶极矩的矢量和等于 零, 即P1+P2+P3 = 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。