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第5章-压电式传感器
压电传感器的等效原理
12
第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 一、等效电路
(a)电压等效电路
(b)电荷等效电路
13
第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 一、等效电路
由等效电路可知，只有传感器内部信号电荷无 “漏损”，外电路负载无穷大时，压电传感器 受力后产生的电压或电荷才能长期保存下来， 否则电路将以某时间常数按指数规律放电。 传感器内部不可能没有泄漏，外电路负载也不 可能无穷大。
CX —电极面间电容
4
第5章 压电式传感器
§5-1 压电效应
• 当晶片受沿机械轴(Y轴)的压力Fy作用时， 电荷仍在与X轴垂直平面上出现 电荷的大小为： qXY d12ltbbFY d12ltFY
其中，d12 —石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数， d11=- d12 t —晶片厚度
X轴平面上电荷
若考虑电缆电容Cc，则有
当A0足够大时，传感器本身的电容和 电缆长短将不影响电荷放大器的输出。
因此输出电压USC只决定于输入电荷q
U SCR 1a1A 0R 1F jj q A C 0aC c1A 0C F
及反馈回路的参数CF和RF。 由于1/RF<<ωCF，有
USC
A0q
1A0CF
q CF
21
因此，在使用时，如果改变电缆长度，必须重新校正灵敏度值。
19
第5章 压电式传感器
§5-3 压电式传感器的测量电路 二、测量电路
（二）电荷放大
电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增 益放大器。
i
U
U
SC
j C F
1 RF
U
压电式传感器_图文
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。
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6.5 测量电路
6.4.1电压放大器
电压放大器的作用是将压电式传感器的高输 出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微 弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种 测量电路称为阻抗变换器。 其中
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6.3 压电材料
选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。一般应 考虑以下几个方面：
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；
相对轴向灵敏度的百分比表
示。
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6.2 影响压电式传感器主要因数
定义（用轴向灵敏度的百分比表示）： 最大横向灵敏度
Km=(Ky/Kz)100% =tg×100%;
一般横向灵敏度
Kt=(Kt/Kz)100% =tg×cos×100%;
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6.2 影响压电式传感器主要因数
产生横向灵敏度的必要条件 （1）伴随轴向作用力的同时，存在横向力； （2）压电元件本身具有横向压电效应。 消除横向灵敏度的技术途径 （1）从设计、工艺和使用诸方面确保力与电轴的
一致； （2）尽量Βιβλιοθήκη 取剪切型的力-电转换方式。一只较好
的压电传感器，最大横向灵敏度不大于5%。
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《压电式传感器》课件
汽车领域
压电式传感器在汽车中用于测量和 控制关键系统的压力，如制动系统、 供油系统和排放系统，提高车辆的 性能和安全性。
与其他传感器的比较
1 压力传感器 vs. 光传感器
压力传感器可以检测和测量物体的压力，而光传感器可以用于检测光线的强度和频率。
2 压力传感器 vs. 温度传感器
压力传感器可以测量物体的压力变化，而温度传感器可以测量环境的温度变化。
续的信号处理和分析。
3
输出信号
经过处理和转换，压电式传感器将输出电压 信号转化为可读取的压力数值或其他形式的 信号。
应用领域
工业领域
压电式传感器在工业生产过程中用 于检测和测量压力、压力变化，广 泛应用于制造业、自动化系统和控 制系统。
医疗领域
压电式传感器在医学设备中用于监 测生命体征、药物输送系统、手术 器械等，确保医疗过程的安全和有 效性。
压电式传感器
欢迎来到《压电式传感器》的PPT课件！本课程将深入探讨压电式传感器的定 义、原理、种类、工作原理、应用领域、与其他传感器的比较，以及未来发 展方向。
定义
什么是压电式传感器？
压电式传感器是一种根据压电 效应原理制作的传感器，能够 将压力转化为电信号，实现压 力的检测和测量。
压电效应的原理
压电效应是指某些晶体材料在 受到压力或振动作用下，会产 生电荷分离和极化现象，从而 产生电压。
压电材料的种类
常用的压电材料包括石英、陶 瓷、聚合物等，每种压电材料 都具有不同的特性和应用领域。
工作ห้องสมุดไป่ตู้理
1
压电效应
当压电材料受到压力时，产生电荷分离和极
信号放大
2
化，从而产生电压信号。
传感器将微弱的电压信号放大，以便进行后
传感器技术-第6讲-压电磁敏传感器PPT
2．霍尔元件基本结构
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图3 霍尔元件
3．霍尔元件基本特性
（1）输入电阻和输出电阻
霍尔元件激励电极之间电阻为输入电 阻，霍尔电极输出电势对于电路外部来说 相当于一个电压源，其电源内阻即为输出 电阻。
（c）
P
i
H-
N 电流
图8 磁敏二极管的工作原理示意图
结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生 正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场 作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区 之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管 的灵敏度就越高。
磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流 过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因 而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有 任何改变。
6.1.3 压电式传感器的应用
1 压电式测力传感器
组成：
主要由石英晶片、绝缘套、电极、上 盖和基座等组成。
2、原理
传感器的上盖为传力元件，当受到外 力作用时，它将产生弹性形变，将力传递 到石英晶片上，利用石英晶片的压电效应 实现力—电转换。绝缘套用于绝缘和定位。
它的测力范围是0～50N，最小分辨率 为0.01N，绝缘阻抗为 2 1014 ，固有频 率为50～60kHz。非线性误差小于±1%。 整个该传感器重为10g，可用于机床动态 切削力的测量。
ΔU/V
2.0
1.6 1.2
3．霍尔式接近开关
利用霍尔效应可以制成开关型传感器。 广泛应用于测转速、制作接近开关等。霍 尔式接近开关主要由霍尔元件、放大电路、 整形电路、输出驱动及稳压电路5部分组成。
由工作特性曲线可见，工作时具有一定的 磁滞特性，可以使开关更可靠工作。图中
压电式传感器优秀课件
Y
l
b
PXX与应力σXX成正比，即
石英晶体切片
PXXd11 XXd11F lX b
PXXd11 XXd11F lX b
t
Z
式中 FX——X轴方向的压力大小；
X
d11——压电系数，又称机电耦合系数
Y
石英晶体d11=2.3×10-12C N-1；
l、b——石英晶片的长度和宽度。
PXX在数值上等于晶面上的电荷密度，即
压电式传感器
5.1 压电效应
第5章 压电式传感器
正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力
而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一
定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带
电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随
着改变。
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
F
等于零，即 P1＋P2＋P3＝0
P2
-
+
(a) FX=0
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X方向将产 生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此
时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为
(P1+P2+P3)X>0
在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一 定的电场。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它 们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零， 见图（a）。
一、石英晶体压电效应
在晶体学中，可以把将 其用三根互相垂直的轴 表示，其中： 纵轴Z称为光轴； 通过六棱线而垂直于光
压电式传感器.ppt
§2-1 压电体等效电路
F
q
电荷 放大器
U a q Ca
Ca
Ca q Ra
电荷源
Ua
Ra
电压 放大器
电压源
§2-2 电压放大器
1.等效电路
屏蔽线
F
Ca
电压 放大器
-A
Ua
Ra
Cc
屏蔽线
Ri
Ci
Ui
U sc
压电体
放大器
§2-2 电压放大器
2. 输入特性
F Fm sin t
Ua
Ca
-A
Ui j R K ( j ) d 33 u 1 j R (Ca Ci Cc ) F
90
3
0 3 Kum K0
0
0
§2-3 电荷放大器
1. 工作原理
CF
A0 104
CF
RF CF 1
RF
-A
-A
q
U sc
q
Ca R a
电荷源
U
U sc q CF
§2-3 电荷放大器
2. 工作频限
1 fL 2 R f C f
1 fH 2 Rc (Ca Cc )
Ch9 压电式传感器
力相关非电量 压电效应 逆压电效应 电量
机械能 压电晶体
压电材料 压电陶瓷 压电聚合物
电能
§1 压电效应
§1-1 现象
极化面 压电体 应力T
T
Q + +++++
各向异性
P
T
面电荷
形变
电极化P
D=dT
压电系数，张量
F
q
电荷 放大器
U a q Ca
Ca
Ca q Ra
电荷源
Ua
Ra
电压 放大器
电压源
§2-2 电压放大器
1.等效电路
屏蔽线
F
Ca
电压 放大器
-A
Ua
Ra
Cc
屏蔽线
Ri
Ci
Ui
U sc
压电体
放大器
§2-2 电压放大器
2. 输入特性
F Fm sin t
Ua
Ca
-A
Ui j R K ( j ) d 33 u 1 j R (Ca Ci Cc ) F
90
3
0 3 Kum K0
0
0
§2-3 电荷放大器
1. 工作原理
CF
A0 104
CF
RF CF 1
RF
-A
-A
q
U sc
q
Ca R a
电荷源
U
U sc q CF
§2-3 电荷放大器
2. 工作频限
1 fL 2 R f C f
1 fH 2 Rc (Ca Cc )
Ch9 压电式传感器
力相关非电量 压电效应 逆压电效应 电量
机械能 压电晶体
压电材料 压电陶瓷 压电聚合物
电能
§1 压电效应
§1-1 现象
极化面 压电体 应力T
T
Q + +++++
各向异性
P
T
面电荷
形变
电极化P
D=dT
压电系数，张量
传感器原理及应用压电式传感器.完美版PPT
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿 电轴x方向施加应力时，晶片将产生厚度变形，
O
y
并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极
x
化强度与应力成正比。
在垂直于x轴晶面上产生的电荷量为
b
z
q1 1d1 1 Fx
x
y
d11—压电系数。下标的意义为产生电荷的 面的轴向及施加作用力的轴向；a、b、c—石
这些自由电荷与陶瓷片内的束缚 电荷符号相反而数量相等，屏蔽和抵消 了陶瓷片内极化强度对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
极化方向
- - - - - 束缚电荷
＋＋＋＋＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上 吸附的自由电荷示意图
因此，无外力或外场 作用时，极化处理后的压 电陶瓷也表现不出来对外 界的电场或应力。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、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。
材料内部的晶粒有许多自发极 化的电畴，有一定的极化方向，从 而存在电场。
英晶片的长度、厚度和宽度。
c a
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
a q 12 d 12 b F y
压电式传感器应用 PPT课件
压电式传感器的应用实例
成员：郑逸凯 11192133 崔露凯 11192107 唐文杰 11192118
压电式传感器？
• 压电效应：某些电介质（晶体，极化的陶瓷，高分子聚合物和负
合材料等），当在它的适当方向施加作用力时，内部会产生电极化状 态的变化，同时在电介质的两端表面出现符号相反、与外力成正比的 束缚电荷。这种由外力作用而导致电介质带电的现象即为压电效应。
• 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则其发 射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器称为压电 超声换能器。
压电式流量计
• 压电超声换能器 每隔一段时间(如 1/100s)发射和接 收互换一次。在 顺流和逆流的情 况下，发射和接 收的相位差与流 速成正比。
压电式传感器在测漏中的应用
• 如果地面下一均匀的自来水直管道某处O发生漏水，水漏 引起的振动从O点向管道两端传播，在管道上A、B两点放 两只压电传感器，由从两个传感器接收到的由O点传来的 t0时刻发出的振动信号所用时间差可计算出LA或LB。
两者时间差为
• Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v
LA 2
LB
L t v
2
压电声传感器在超声速测量实验中的应用
• 超声速测量实验装置Fra bibliotek当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电 陶瓷片两端面时，压电陶瓷片将产生机械振 动，在空气中激发出声波。所以，换能器S1 是声频信号发生器。
加速度式心音传感器：将声信号转换为电信号
压电式声 传感器
• 当交变信号加在压电陶 瓷片两端面时，由于压 电陶瓷的逆压电效应， 陶瓷片会在电极方向产 生周期性的伸长和缩短 。
压电式传感器 ppt课件
• 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定，而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
19
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
11
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
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
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
11
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
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
压电式传感器介绍课件
压电陶瓷：具有高灵敏度、 高稳定性和长寿命的特点
A
压电复合材料：结合多种材料 的优点，提高传感器的性能
C
B
压电薄膜：具有轻量化、柔 性化Fra bibliotek可弯曲的特点D
压电纳米材料：具有高灵敏度、 低功耗和快速响应的特点
集成化、微型化
01
集成化：将多个传 感器集成到一个芯 片上，实现多功能、
高精度的测量
02
微型化：减小传感 器的体积和重量， 提高便携性和可穿
压电材料：具有压电效应的材料，如石英、锆 钛酸铅等 传感器结构：由压电材料和电极组成，当受到 压力时，压电材料产生电荷，通过电极输出
信号处理：将输出的电荷信号进行放大、滤 波等处理，得到所需的测量信号
2
压电式传感器分 类
压电陶瓷传感器
工作原理：利用压电效应，将机械 能转化为电能
特点：体积小、重量轻、灵敏度高、 响应速度快
微型化：压电式传感器将向微型化方向发展，体积更小， 重量更轻，便于携带和安装。
集成化：压电式传感器将实现多种功能集成，如压力、温 度、加速度等，提高测量精度和效率。
谢谢
和补偿
应用领域：汽车 安全气囊、地震
2 监测、航空航天
等领域
3
优点：高灵敏度、 宽频率响应、低 功耗、体积小
流量测量
压电式传感 器可用于测 量液体和气
体的流量
通过检测压 力变化来测
量流量
适用于各种 管道和设备， 如泵、阀门、
管道等
具有高精度、 高可靠性和 长寿命的特
点
4
压电式传感器发 展趋势
新型压电材料
应用领域：广泛应用于压力、加速 度、流量、位移等物理量的测量
相关主题
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p1+p2+p3＝0
所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。
晶体受外力作用会产生变形，正六边形边长（键长）不变，而夹 角（键角）改变。 当晶体受到沿X方向的压力（F x < 0）作用时，晶体沿X方向将产 生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图（b）所示。 此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩p1减小，p2、p3增大，它 们在X方向上的分量不再等于零:
如果沿z轴方向施加作用力时，因为晶体沿x 方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所 以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢 量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向 受力时，无压电效应。同样，在各个方向作 用大小相等的力，使体积变形时，也无压电 效应。 当X轴或Y轴方向受到拉力作用时，产生电荷 的极性正好相反。
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图库
6.1 压电效应
▪ 6.1.1 石英晶体的压电效应
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴（过棱线）； Z轴：光轴或3轴(纵向）。
图6-2 石英晶体的外形和晶轴
纵向压电效应：沿电轴（X轴 ）方向的力作用下产生电荷 横向压电效应：沿机械轴（Y 轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产 生压电效应。
▪ 6.1.2 压电陶瓷的压电效应
▪ 为使其具有压电性，就必须在一定温度下进行极化处理。所 谓极化，就是以强电场使“电畴”规则排列，从而呈现压电 性。极化电场去除后，电畴基本保持不变，余下了很强的剩 余极化。
▪ 6.1.2 压电陶瓷的压电效应
▪ 当极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度会发生 变化，从而使一定表面分别产生正负电荷。
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图库
6.1 压电效应
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
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图库
第6章 压电式传感器
6.1压电效应 6.2压电材料 6.3等效电路 6.4测量电路 6.5压电式传感器的应用举例 6.6影响压电式传感器精度的因素分析
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图库
6.1 压电效应
某些晶体或多晶陶瓷，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。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。
▪ 6.1.2 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，压电机理与压电晶 体不同。它是以钛酸钡（BaTiO3）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3 等为基本成分，通过粉碎、成型，1000℃以上烧结得到多晶 体。材料内部的晶粒有许多自发极化无规则排列的电畴，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，它们各自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。
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工 作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电 效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英 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，从而实现非电量电 测的目的。
压电出传感元件是力敏元件，它能测量最终能变换为力 的哪些物理量，例如力，压力、加速度等。
▪ 6.1.4 压电方程与压电常数
▪ 压电元件受到力F作用时，就在相应的表面产生表面电荷Q， 力F与Q之间存在以下关系
Q d F
(6-1)
d ——压电系数；
压电系数d对于一定的施力方向和一定的产生电荷的表面是 一个常数，上式仅适用于一定尺寸的压电元件。为使用方便， 常采用以下公式
沿光轴受力则不产生压电效应 ql
方向由负电荷指向正电荷。
图6-3 石英晶体压电效应示意图
退出
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
（a）所示。
因为p = qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负 电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即
▪ 6.1.1 石英晶体的压电效应
▪ 对于压电晶体，沿X轴施加正应力时，将在垂直于X轴表面 产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。
▪ 沿Y轴施加正应力时，电荷将出现在与X轴垂直的表面上， 这种现象称为横向压电效应。
▪ 沿X轴施加切应力时，将在垂直于Y轴表面产生电荷，这种 现象称为切向压电效应。
图6-4 石英晶体受力方向与电荷极性的关系
极化方向定为Z轴，垂直于Z轴的平面上任何直线都可作为X 或Y轴 铁电体参数会随时间发生变化，即老化，铁电体老化将使压 电效应减弱。
▪ 6.1.3 高分子材料的压电效应
▪ 高分子材料属于有机分子半结 晶或结晶的聚合物，其压电效 应比较复杂。高分子材料经机 械滚压和拉伸会成为薄膜，薄 膜经延展拉伸和电场极化后， 具有一定的压电性能，这类薄 膜称为高分子压电薄膜。目前 出现的压电薄膜有聚二氟乙烯 PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙 烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂 PMG等。高分子压电材料是一 种柔软的压电材料，不易破碎， 可以大量生产和制成较大的面 积压电元件。
(p1+p2+p3)x>0 合偶极距方向向上，在X轴正向的晶 体表面出现正电荷，反向出现负电荷。 在Y、Z方向上的分量为:
(P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0 电偶极距在Y、Z轴方向分量为零，无 电荷出现。
6.1.1 石英晶体的压电效应
▪ 晶体沿Y轴方向施加压力时，见图（c）。p1增大，p2、p3减小，合偶极距向 下，因此上表面为负电荷，下表面为正电荷，同理在Y、Z方向不产生压电 效应，无电荷出现。
所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。
晶体受外力作用会产生变形，正六边形边长（键长）不变，而夹 角（键角）改变。 当晶体受到沿X方向的压力（F x < 0）作用时，晶体沿X方向将产 生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图（b）所示。 此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩p1减小，p2、p3增大，它 们在X方向上的分量不再等于零:
如果沿z轴方向施加作用力时，因为晶体沿x 方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所 以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢 量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向 受力时，无压电效应。同样，在各个方向作 用大小相等的力，使体积变形时，也无压电 效应。 当X轴或Y轴方向受到拉力作用时，产生电荷 的极性正好相反。
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6.1 压电效应
▪ 6.1.1 石英晶体的压电效应
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴（过棱线）； Z轴：光轴或3轴(纵向）。
图6-2 石英晶体的外形和晶轴
纵向压电效应：沿电轴（X轴 ）方向的力作用下产生电荷 横向压电效应：沿机械轴（Y 轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产 生压电效应。
▪ 6.1.2 压电陶瓷的压电效应
▪ 为使其具有压电性，就必须在一定温度下进行极化处理。所 谓极化，就是以强电场使“电畴”规则排列，从而呈现压电 性。极化电场去除后，电畴基本保持不变，余下了很强的剩 余极化。
▪ 6.1.2 压电陶瓷的压电效应
▪ 当极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度会发生 变化，从而使一定表面分别产生正负电荷。
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6.1 压电效应
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
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第6章 压电式传感器
6.1压电效应 6.2压电材料 6.3等效电路 6.4测量电路 6.5压电式传感器的应用举例 6.6影响压电式传感器精度的因素分析
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6.1 压电效应
某些晶体或多晶陶瓷，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。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。
▪ 6.1.2 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，压电机理与压电晶 体不同。它是以钛酸钡（BaTiO3）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3 等为基本成分，通过粉碎、成型，1000℃以上烧结得到多晶 体。材料内部的晶粒有许多自发极化无规则排列的电畴，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，它们各自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。
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工 作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电 效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英 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，从而实现非电量电 测的目的。
压电出传感元件是力敏元件，它能测量最终能变换为力 的哪些物理量，例如力，压力、加速度等。
▪ 6.1.4 压电方程与压电常数
▪ 压电元件受到力F作用时，就在相应的表面产生表面电荷Q， 力F与Q之间存在以下关系
Q d F
(6-1)
d ——压电系数；
压电系数d对于一定的施力方向和一定的产生电荷的表面是 一个常数，上式仅适用于一定尺寸的压电元件。为使用方便， 常采用以下公式
沿光轴受力则不产生压电效应 ql
方向由负电荷指向正电荷。
图6-3 石英晶体压电效应示意图
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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
（a）所示。
因为p = qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负 电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即
▪ 6.1.1 石英晶体的压电效应
▪ 对于压电晶体，沿X轴施加正应力时，将在垂直于X轴表面 产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。
▪ 沿Y轴施加正应力时，电荷将出现在与X轴垂直的表面上， 这种现象称为横向压电效应。
▪ 沿X轴施加切应力时，将在垂直于Y轴表面产生电荷，这种 现象称为切向压电效应。
图6-4 石英晶体受力方向与电荷极性的关系
极化方向定为Z轴，垂直于Z轴的平面上任何直线都可作为X 或Y轴 铁电体参数会随时间发生变化，即老化，铁电体老化将使压 电效应减弱。
▪ 6.1.3 高分子材料的压电效应
▪ 高分子材料属于有机分子半结 晶或结晶的聚合物，其压电效 应比较复杂。高分子材料经机 械滚压和拉伸会成为薄膜，薄 膜经延展拉伸和电场极化后， 具有一定的压电性能，这类薄 膜称为高分子压电薄膜。目前 出现的压电薄膜有聚二氟乙烯 PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙 烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂 PMG等。高分子压电材料是一 种柔软的压电材料，不易破碎， 可以大量生产和制成较大的面 积压电元件。
(p1+p2+p3)x>0 合偶极距方向向上，在X轴正向的晶 体表面出现正电荷，反向出现负电荷。 在Y、Z方向上的分量为:
(P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0 电偶极距在Y、Z轴方向分量为零，无 电荷出现。
6.1.1 石英晶体的压电效应
▪ 晶体沿Y轴方向施加压力时，见图（c）。p1增大，p2、p3减小，合偶极距向 下，因此上表面为负电荷，下表面为正电荷，同理在Y、Z方向不产生压电 效应，无电荷出现。