传感器原理及应用-第6章 - 压电式传感器剖析
传感器原理与应用--压电传感器概要
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
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
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。
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。
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
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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y两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。
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
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６.２压电式传感 器的等效电路和测量 电路
• 由此可见，并连接法虽然输出电荷大，但由于本身电 容 亦 大 ， 故 时 间 常 数 大 ， 只 适 宜 测量 慢 变 化 信 号 ， 并 以 电荷作为输出的情况。串联接法输出电压高，本身电 容 小 ， 适 宜 于 以 电压 输 出 的 信 号 和 测 量 电 路 输 入 阻 抗 很 高的情况。
• 电 荷 放 大 器 是 一 个 有 反 馈 电 容 Ｃ ｆ 的 高 增 益 运算 放 大 器 。 当 放 大 器 开 环 增 益 Ａ 和 输 入 电 阻 Ｒ ｉ 、反 馈 电 阻 Ｒ ｆ （ 用 于 防 止 放 大 器 直 流 饱 和 ） 相 当 大时 ， 放 大 器 的 输 出 电 压 Ｕ ｏ 正 比 于 输 入 电 荷 ｑ ， 即当 Ａ 足 够 大 时 ， 则 有
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６.１压 电 式 传 感 器 的 工 作 原 理
• ６.１.２ 压电材料
• 自然界中的大多数晶体具有压电效应，但压电效应十 分 明 显 的 不 多 。 天 然 形 成 的 石 英 晶体 、 人 工 制 造 的 压 电 陶瓷、锆钛酸铅、钛酸钡等材料是压电效应性能优良 的压电材料。
• 具有压电效应的物质很多，可分为三大类：一是压电 晶 体 （ 单 晶 ） ， 它 包 括 压 电 石 英 晶体 和 其 他 单 晶 ； 二 是 压电陶瓷（多晶半导瓷）；三是新型压电材料，其中 有 压 电 半 导 体 和 有机 高 分 子 压 电 材 料 两 种 。
• 介 电 常 数 ——— 一 定 形 状 和 尺 寸 的 压 电 元 件 ， 固 有 电 容 与 介 电 常 数 有 关 ， 而 固 有 频 率 又影 响 着 压 电 传 感 器 的 下 限。
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。
第6章压电式传感器原理及其应用
6.1 压电效应和压电材料 6.2 压电元件的常用结构 6.3 压电式传感器等效电路和测量电路 6.4 压电式传感器的应用
压电式传感器概述
压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 它是一种电量型传感器。 它是一种电量型传感器。 工作原理:以某些电介质的压电效应为基础 以某些电介质的压电效应为基础， 工作原理 以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， M 从而实现力—电信号转换 再通过检测电荷量（ 电信号转换， 从而实现力 电信号转换，再通过检测电荷量（或 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 压电元件是一种典型的力敏感元件， 压电元件是一种典型的力敏感元件，可用来测量最 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 加速度等。由于压电元件具有体积小、重量轻、 加速度等。由于压电元Байду номын сангаас具有体积小、重量轻、结 构简单、可靠性高、频带宽、 构简单、可靠性高、频带宽、灵敏度和信噪比高等 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 在声学、力学、 在声学、力学、医学和航空航天等领域都得到了广 泛应用。其缺点是无静态输出， 泛应用。其缺点是无静态输出，要求有很高的输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。
铜芯线充当内电极铜网屏蔽层作外电极管状pvdf高分子压电材料为绝缘层最外层是橡胶保护层为承压弹性元件当管状高分子压电材料受压时其内外表面产生电荷可达到测量的目的图620高分子压电电缆2高分子压电电缆的典型应用高分子压电电缆测速系统由两根高分子压电电缆相隔一段距离平行埋设于柏油公路的路面下50mm处如图621所示
第6章 压电式传感器
应力与电荷密度
力与应力：用F表示力，用T表示应力，即 单位面积上的力：
F T A
电荷与电荷密度：用Q表示电荷，用 表示 电荷密度，即单位面积上的电荷：
Q A
压电效应可以用下面的方程描述：
σ = dT
• 该方程称为压电方程，它描述了压电传感器输 出（电荷密度）与输入（应力）之间的静态关 系 • d相当于灵敏度
A( )
d R 1 [ R(Ca Cc Ci )]
2
d R 1 ( )
2
可得实际增益与理想增益之比：
A( ) k ( ) * 2 A ( ) 1 ( )
k ( )
1 ( )
2
• 当 1 ，即输入信号频率较大， k ( ) 1 ， 此时，实际增益趋近于理想增益 • 因此，压电式传感器的高频特性较好，这是压电 式传感器的优点
S = dt E
•
d t 称为逆压电常数矩阵
二、压电方程和压电常数矩阵
压电效应可用压电方程来定量描述，如下：
σ = dT • d称为压电常数矩阵
• 不同的压电材料具有不同的压电常数矩阵 • 相同的压电材料，如果加工方式不同，也会有 不同的压电常数矩阵
应力：如图所示，一 共有6个方向 • T1 , T2 , T3 ：分别表 示沿x,y,z方向上的 应力（拉力为正， 压力为负） • T4 , T5 , T6：分别表 示绕x,y,z方向上的 切应力（右旋为正， 左旋为负）
T
三个端面的面积：
• A1 , A2 , A3 ：分别表 示与x,y,z垂直的端 面面积
T1 T 因此有： 2 1 d11 d12 d13 ... d16 T3 d d d ... d 2 21 22 23 26 T4 3 d31 d32 d33 ... d36 T 5 T6 写为向量-矩阵形式的压电方程为：
传感器(电子教案)第6章
压电传感器的幅值线性度是指被测物理量(如力、压力、 加速度等)的增加，其灵敏度的变化程度。
6.6.2横向灵敏度
压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器 感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度 振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比 来表示，称为横向灵敏度比。
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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。
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。
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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 本章要点
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。图6-9是电压放大 器的简化电路图。
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6.4 测量电路
6.4.2电荷放大器
由于电压放大器使所配接的压电式传感器的 电压灵敏度将随电缆分布电容及传感器自身 电容的变化而变化，而且电缆的更换得引起 重新标定的麻烦，为此又发展了便于远距离 测量的电荷放大器，目前它巳被公认是一种 较好的冲击测量放大器。
[整理版]传感器原理与应用习题_第6章压电式传感器
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[整理版]传感器原理与应用习题_第6章压电式传感器《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案教材:传感器技术(第3版)贾伯年主编，及其他参考书第6章压电式传感器6-1 何谓压电效应,何谓纵向压电效应和横向压电效应,答:一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。
且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比: D = dT 式中 d—压电常数矩阵。
当外力消失，电介质又恢复不带电原状;当外力变向，电荷极性随之而变。
这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比: S=dE 式中 d——逆压电常数矩阵。
这种现象称为逆压电tt效应，或称电致伸缩。
6-2 压电材料的主要特性参数有哪些,试比较三类压电材料的应用特点。
答:主要特性:压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。
压电单晶:时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。
此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。
不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
压电陶瓷:压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。
新型压电材料:既具有压电特性又具有半导体特性。
因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件;也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。
6-3 试述石英晶片切型()的含意。
yxlt，50:/45:6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。
答:(1)并联:C′,2C，q′=2q,U′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。
传感器原理与应用习题第6章压电式传感器
《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第6章 压电式传感器6-1 何谓压电效应？何谓纵向压电效应和横向压电效应？答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。
且其电位移D(在MKS 单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T 成正比： D = dT 式中 d —压电常数矩阵。
当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。
这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。
若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S 与外电场强度E 成正比： S=d t E 式中 d t ——逆压电常数矩阵。
这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。
6-2 压电材料的主要特性参数有哪些？试比较三类压电材料的应用特点。
答：主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。
压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。
此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。
不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。
压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。
新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。
因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。
6-3 试述石英晶片切型（︒︒+45/50yxlt ）的含意。
6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。
答：（1）并联：C ′＝2C ，q ′=2q,U ′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。
第六章 压电式传感器
1 CR
2
i
d 33 Fm C
2
arctan RC
当R无限大时 电压幅值比：
U im Um
Um
RC
1 1 RC
CR 2 1
U im 1 2 Um 1 1 i arctan 1 2
第六章：压电式传感器
主讲人：贾鹤萍
压电式传感器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，从而实现非电量电测的目的。
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。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固 、可靠性、稳定性高。
1、工作原理--压电效应
图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式
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1、工作原理--压电效应 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如上述的石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料。
1、工作原理----石英晶体 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，
Z轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体 不产生双折射现象。
q1 q11 q12 q13 q14 q15 q16
q1 d111 d12 2 d13 3 d14 4 d15 5 d16 6 q2 d211 d22 2 d23 3 d24 4 d25 5 d26 6 q3 d311 d32 2 d33 3 d34 4 d35 5 d36 6 [D] 1
压电式传感器 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。
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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
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
压电式传感器的原理与应用
压电式传感器的原理与应用1. 压电式传感器的工作原理压电式传感器是一种将机械变形转化为电信号的传感器。
其工作原理基于压电效应，即某些晶体材料在受到机械应力作用后能够产生电荷分布的不对称性，进而产生电压差。
压电材料通常采用多晶形式的陶瓷材料，如氢化铅锆钛（PZT）等。
当外部施加机械应力时，压电材料中的晶格结构发生变形，导致晶体表面的正负电荷分布不均匀。
这样，就可以通过测量材料表面的电荷分布情况，间接获得机械应力的信息。
压电式传感器通常由压电材料、电极、输出电路等组成。
当受到机械应力作用时，压电材料上的电荷分布不均匀，导致电极上产生电压信号。
该电压信号可以通过输出电路进行放大和处理，最终输出与机械应力相关的电信号。
2. 压电式传感器的优点•高灵敏度：压电式传感器可以将微小的机械变形转化为电信号，具有高灵敏度。
•快速响应：由于压电材料具有快速的机械响应特性，压电式传感器的响应速度较快。
•宽频响特性：压电材料具有宽频带特性，能够在广泛的频率范围内进行测量。
•耐高温性：压电材料可以在高温环境中工作，适用于一些特殊的工业场合。
3. 压电式传感器的应用领域3.1 声学领域压电式传感器在声学领域应用广泛。
由于其高灵敏度和宽频响特性，可以用于声波的检测和测量。
常见的应用包括：•声波传感：压电式传感器可以转化声波的机械振动为电信号，用于声音的采集和分析。
•声压级测量：通过测量压电式传感器的输出信号，可以准确测量声波的压力级别。
3.2 力学领域压电式传感器在力学领域也有重要的应用。
由于其快速响应和高灵敏度，可以用于力学量的测量和控制。
常见的应用包括：•机械振动检测：通过测量压电式传感器的输出信号，可以判断机械系统的运动状态和振动频率。
•力的测量：将压电式传感器安装在受力部位，可以测量受力大小和方向。
3.3 气象领域压电式传感器在气象领域也有应用。
由于其高灵敏度和宽频响特性，可以用于气象参数的测量和监测。
常见的应用包括：•风速测量：通过测量压电式传感器受到的气流压强，可以准确测量风速。
压电式压力传感器的工作原理
压电式压力传感器的工作原理压电式压力传感器是一种常见的压力测量设备，它利用压电效应将压力信号转换为电信号。
其工作原理主要基于压电材料的特性和压力作用下的变形效应。
压电效应是指某些晶体在受力或变形时会产生电荷。
压电材料是一种具有这种特性的材料，如石英、锆钛酸铅等。
当外力作用于压电材料时，材料的晶格结构会发生微小的变形，从而引发电荷的分离和聚集，产生电势差，即压电效应。
这种效应的典型代表是压电晶体的晶须，它们在受到压力时会产生电荷的分离。
压电式压力传感器利用压电材料的压电效应来测量压力。
传感器通常由一块薄片状的压电材料和电极构成。
当外界施加压力时，压电材料会发生微小的形变，导致电荷的分离和聚集。
电极会收集这些电荷，并将其转换为电信号输出。
具体而言，压电式压力传感器的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 压力施加：传感器的压电材料暴露在待测压力下，压力会导致材料发生微小的形变。
2. 形变产生电荷：压力作用下，压电材料的晶格结构发生微小的变化，导致电荷的分离和聚集。
3. 电荷收集和转换：电极将产生的电荷收集起来，并将其转换为电信号。
4. 电信号输出：电信号经过放大和处理后，输出为与压力成比例的电压或电流信号。
压电式压力传感器具有许多优点，例如高灵敏度、快速响应、宽工作范围、高可靠性等。
它们广泛应用于工业自动化、汽车工程、医疗设备等领域，用于测量各种流体和气体的压力。
压电式压力传感器利用压电材料的压电效应将压力信号转换为电信号。
通过压力施加、形变产生电荷、电荷收集和转换以及电信号输出等步骤，传感器能够准确测量压力值，并将其转化为可读的电信号。
这种传感器在各个领域中都有广泛的应用，为我们提供了重要的压力测量手段。
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二、压电效应的基本原理
常见的压电材料可分为两类： 压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
压电单晶体： 石英(包括天然石英和人造石 英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾 钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、 硫酸锤等)。
多晶体压电陶瓷： 钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系 压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌 镁酸铅压电陶瓷等。
天然石英
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
q12
d12
a b
Fy
x
b
z
d11
a b
FyxΒιβλιοθήκη yd11 = -d12 ，石英晶体轴对称条件。
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
Fx- -
++
- P1 +
P3 - + x
-
P2
+
- - ++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
在x轴的正向出现正电荷，在y、 z方向不出现电荷。
Fx<0 y
Fx- -
+ + Fx
- P1 +
P3 + -
x
-
P2
+
--
++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
§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。
在无外电场作用时，电畴在晶
体中杂乱分布，各自的极化效应被
相互抵消，压电陶瓷内极化强度为
零。
电场 方向
因此，原始的压电陶瓷呈中性，
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
q11 d11Fx
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
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
不具有压电性质。
(a)
极化处理前
(a)
极化处理后
(b)
§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
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，当外电场去掉后，电畴的极化 方向基本不变化，即剩余极化强度 很大，这时材料才具有压电特性电 。场
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 1、石英晶体压电效应
如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其 晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常 情况下呈现电性。
纵向压电效应：沿电轴(X轴)方向的作用力产 生的压电效应。
横向压电效应：沿机械轴(Y轴)方向的作用力 产生的压电效应
切向压电效应：沿相对两棱加力时产生的压电 效应。
沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。 压电式传感器主要是利用纵向压电效应。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
+
y + x -
-
+
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
Fx=0 y -+
+ P1 P3 - x
P2 -+
Fx<0 y
第六章 压电式传感器
被测非电量 压电 电压值 测量 U、I 效应 电荷值 电路
压电式传感器的定义 利用压电材料的压电效应，实现机械能与电能相互转换的
传感器。 压电式传感器的感测量
动态力、机械冲击和振动，在声学、医学、力学、导航方 面应用广泛。 压电式传感器的种类
根据工作原理：正压电效应型和逆压电效应型。
第六章 压电式传感器
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
压电陶瓷位移器
压电秤重浮游计
压电警号
第六章 压电式传感器
§6.1 压电效应 §6.2 压电材料 §6.3 压电式传感器等效电路 §6.4 压电式传感器测量电路 §6.5 压电式传感器应用
§6.1 压电效应
一、压电效应的基本概念 F
1、正压电效应
F
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
F
§6.1 压电效应
一、压电效应的基本概念
2、逆压电效应
当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上 产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失。
这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸 缩效应”。
3、压电效应的特点
（1）压电效应具有可逆性
极化处理后压电陶瓷才具方有向 压 电特性。
(a)
极化处理前
(a)
极化处理后
(b)
§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
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 1、石英晶体压电效应
天然石英晶体，结构形状为 一个六角形晶柱，两端为一对称 的棱锥。
在晶体学中，用三根互相垂 直的轴建立描述晶体结构形状的 坐标系。
纵轴Z称为光轴，通过六棱 线而垂直于光铀的X铀称为电轴， 与 X-X 轴 和 Z-Z 轴 垂 直 的 Y-Y 轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机 械轴。
某些物质沿某一方向受到外力作用
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
时，会产生变形，同时内部产生极化现象，
F
在这种材料的两个表面产生符号相反的电
荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电
F=0
的状态，这种现象称为压电效应。
当作用力方向改变时，电荷极性也 随之改变。
这种机械能转化为电能的现象称为 “正压电效应”或“顺压电效应”。
+
+ Fx +
+
+
Fx>0 y
-
+
P1
P3
P2
-
+
在x轴的正向出现负电荷，在y、z 方向依然不出现电荷。
- Fx -x -
-
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
Fy Fy
§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，
应力
机 械
应变 能
压电元件
电 电荷 能 电场
§6.1 压电效应
一、压电效应的基本概念 3、压电效应的特点
（2）具有瞬时性 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。
（3）具有不稳定性 当动态力变为静态力时， 电荷将由于表面漏电而很快泄 漏、消失。
§6.1 压电效应