压电传感器的工作原理
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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。
机电类 《自动检测技术及应用》
多媒体课件
（共13章，第六章）
统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4
课程配套网站
www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net
2012年7月版
2020/6/27
1
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。
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。
天然石英晶体外形
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
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
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。
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)。
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。
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。
第六章 压电传感器 目录
6.1 压电传感器的工作原理 进入 6.2 压电传感器的测量转换电路 进入 6.3 压电传感器的结构和应用 进入 6.4 振动测量及频谱分析 进入
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。 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。
10
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。
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。源自文库
2020/6/27
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）。
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”。
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。
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。
机电类 《自动检测技术及应用》
多媒体课件
（共13章，第六章）
统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4
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www.sensor-measurement.net 或www.liangsen.net
2012年7月版
2020/6/27
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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。
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。
天然石英晶体外形
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
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
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。
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)。
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。
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。
第六章 压电传感器 目录
6.1 压电传感器的工作原理 进入 6.2 压电传感器的测量转换电路 进入 6.3 压电传感器的结构和应用 进入 6.4 振动测量及频谱分析 进入
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。 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。
10
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。
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。源自文库
2020/6/27
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）。
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”。
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。
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