第六章 压电传感器 《自动检测技术及应用(第2版)》课件
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1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶体沿x面受压力时的带电情况分析
石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电 Q=d11Fx
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹 性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中 心分离, x面的上表面带负电,下表面带正电。
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）。
石英晶体
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。
点火器，要依靠干电
池逆变电路产生高压
电火花；
另一种是利用压电陶瓷制成的。
使劲扭动打火按钮，“撞击块”敲
击多块串联的压电陶瓷，就能产生
高电压，形成电火花而点燃煤气。
压电陶瓷还可以制成电子打火机，
可使用100万次以上。
27
压压电电陶陶瓷瓷变压变器压是器一块具有不同极化方向的压电陶
瓷，同时利用正压电效应和逆压电效应来产生高电压 的器件。两次能量转换为：中频电能激励→机械振动 能→中频高压电能。
受交变力时，产生交变电信号。
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。
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％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压 电特性，这就是它的居里点。
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。
2020/7/4
9
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x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生 电荷。
常用的是长条形单片Rosen型压电陶瓷变压器。压 电变压器的左半部上下两面有烧渗的银电极，作为电 压输入端，称为驱动部分;右半部分的端头烧渗银电极， 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十28 倍，又由于纵驻波的加强效应，输出电压倍增。
第六章 压电传感器
本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、 压电元件、等效电路、电荷放大器、压电 传感器的结构及应用，振动的基本概念、 振动传感器及振动频谱分析等。
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。
天然石英晶体外形
天然石英晶体外形（续）
天然石英晶体的结构及剖面
天然石英晶体的三个轴
在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵 向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。
经过正六面体棱
线，并垂直于光轴
的轴线称为电轴，
也称x轴；经过正六
面体的棱面且垂直
于光轴的轴线称为
机械轴，也称y轴。
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
煤气灶上的点煤火气器灶压电点火器
有两种。一种为有源
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高温下相对介电常数的 温度特性
石英晶体的切片
石英晶体片及封装
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：
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”。
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
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电 荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶 格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产 生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
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。
wenku.baidu.com
压电效应的微观分析
未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电
晶体沿x面受压力时的带电情况分析
石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电 Q=d11Fx
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹 性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中 心分离, x面的上表面带负电,下表面带正电。
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）。
石英晶体
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。
点火器，要依靠干电
池逆变电路产生高压
电火花；
另一种是利用压电陶瓷制成的。
使劲扭动打火按钮，“撞击块”敲
击多块串联的压电陶瓷，就能产生
高电压，形成电火花而点燃煤气。
压电陶瓷还可以制成电子打火机，
可使用100万次以上。
27
压压电电陶陶瓷瓷变压变器压是器一块具有不同极化方向的压电陶
瓷，同时利用正压电效应和逆压电效应来产生高电压 的器件。两次能量转换为：中频电能激励→机械振动 能→中频高压电能。
受交变力时，产生交变电信号。
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。
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％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压 电特性，这就是它的居里点。
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。
2020/7/4
9
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x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生 电荷。
常用的是长条形单片Rosen型压电陶瓷变压器。压 电变压器的左半部上下两面有烧渗的银电极，作为电 压输入端，称为驱动部分;右半部分的端头烧渗银电极， 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十28 倍，又由于纵驻波的加强效应，输出电压倍增。
第六章 压电传感器
本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、 压电元件、等效电路、电荷放大器、压电 传感器的结构及应用，振动的基本概念、 振动传感器及振动频谱分析等。
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。
天然石英晶体外形
天然石英晶体外形（续）
天然石英晶体的结构及剖面
天然石英晶体的三个轴
在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵 向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。
经过正六面体棱
线，并垂直于光轴
的轴线称为电轴，
也称x轴；经过正六
面体的棱面且垂直
于光轴的轴线称为
机械轴，也称y轴。
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
煤气灶上的点煤火气器灶压电点火器
有两种。一种为有源
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高温下相对介电常数的 温度特性
石英晶体的切片
石英晶体片及封装
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：
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”。
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
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电 荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶 格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产 生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
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。
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压电效应的微观分析
未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电