压电式传感器(微课竞赛用)

（1）压电晶体
压电晶体是一种单晶体。 例如：石英晶体；酒石酸钾钠等
（1）压电晶体
压电晶体是一种单晶体。 例如：石英晶体；
酒石酸钾钠等
石英晶体外形图
天然形成的石英晶体外形图
（2）压电陶瓷
压电陶瓷是一种人工制造的压电陶瓷外形图
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的压电系数大得多，因此其灵 敏度较高。
逆压电效应动画演示
具有压电效应的材料称为压电材料, 压电材料能实现机—电能 量的相互转换, 如下图所示。
一般将具有压电效应的晶体都称为压电类晶体，具有压 电效应的电介质称为压电材料。
在自然界中，大多数晶体都具有压电效应。然而，大多 数晶体的压电效应很微弱，没有实用价值。石英是晶体中性能 良好的一种压电材料。随着科学技术的发展，人工制造的压电 陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等多晶压电材料相继问世，应用越 来越广。 压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。
当石英晶体受到沿 x 轴方向的压力作用时 , 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。如下图 （ b ）所示 , 此时正负电荷重心不再重合 , 电偶极矩在 x 方向 上 的 分 量 由 于 P 1 的 减 小 和 P2 、 P 3 的 增 加 而 不 等 于 零 , 即 （P1+P2+P3）x< 0 。 在x轴的正方向出现负电荷, 电偶极矩在 y方向上的分量仍为零, 不出现电荷。 这种沿 X 轴方向施加力，而在垂直于 X 轴的晶体表面上产 生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。
那些物理量，例如力、压力、加速度等。
压电式传感器具有体积小, 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。
6.1
压电式传感器是基于某些物质的压电效应原理工作的。按转换 方式压电效应可以分为正压电效应和逆压电效应。
压电陶瓷制品正压电效应的应用主要用于燃气点火器，基本工作原理是： 由外力压缩一个弹簧并释放，推动一个重锤打击压电陶瓷柱产生一个数千伏 的高压形成放电火花，点燃可燃气体。
煤气灶电子点火装置
煤气灶电子点火装置如上图所示。当按下手动凸轮开关 1时，把气阀6打 开，同时凸轮凸出部分推动冲击砧 2，使得弹簧 3被冲击砧 2向左压缩，当凸 轮凸出部分离开冲击砧时，由于弹簧弹力作用，冲击砧猛烈撞击陶瓷压电组 件 4，产生压电效应，从而在正负两极面上产生大量电荷，正负电荷通过高 压导线5在尖端放电产生火花，使得燃气被点燃。 燃气灶压电陶瓷打火器不仅使用方便，安全可靠，而且使用寿命长，据 有关资料介绍，采用压电陶瓷制成的打火器可使用100万次以上。
第 6章
压电式传感器
6.1压电效应及压电材料 6.2压电传感器测量电路 6.3压电式传感器的应用
第 6章
压电式传感器
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应, 是 典型的有源传感器。 当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非 电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的
居里兄弟 雅克· 居里（Jacques Curie） （ 1856年 10 月 29日 -1941 年），
法国物理学家，蒙彼利埃大 学教授。
皮埃尔· 居里 (Pierre Curie)
(1859 -1906)
他们发现了一些晶体在某一特定 方向上受压时，在它们的表面上会出 现正或负电荷，这些电荷与压力的大 小成正比，而当压力排除之后电荷也 消失。 1881 年，他们发表了关于石英与 电气石中压电效应的精确测量。
压电式单向测力传感器结构图
6.3.2
下图是一种压电式加速度传感器的结构图。 它主要由压电元 件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。 整个部件装在外壳 内, 并用螺栓加以固定。 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时, 压电元件受质 量块惯性力的作用, 根据牛顿第二定律, 此惯性力是加速度的函数, 即： F=m· a
式中: F——质量块产生的惯性力;
m——质量块的质量; a——加速度。
此时惯性力F作用于压电元件上, 因而产生电荷q, 当传感器选
定后, m为常数, 则传感器输出电荷为： q=d11F=d11ma 与加速度a成正比。因此, 测得加速度传感器输出的电荷便可 知加速度的大小。
压电式振动加速度传感器
6.3.3
Z
Y X
X轴穿过正六棱柱的棱线(称X轴为电 轴)，因为六棱柱有三根X轴，可任取一根； 理想石英晶体的外形
Y轴经过正六面体的棱面而垂直于光轴和电轴(称Y轴为机 械轴)，Y轴也有三根，可取任一根。
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成 石英晶体的硅离子 Si4+和氧离子 O2-在 XY平面投影，如图 (a)。 为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图 (b)中正六边形排列， 图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。
压电式力传感器测力动 画演示
如果沿 z 轴方向施加作用力 , 因为晶体在 x
Z
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X
Y
电效应。 在液体里），石英晶体将保持电中性。
若从晶体上沿 y 方向切下一块如图右
理想石英晶体的外形
如果α- 石英晶体在各个方向同时受到均等的作用力（如浸没
压电陶瓷制品逆压电效应的应用主要用于压电蜂鸣器，基本工
作原理是：当压电陶瓷片施加交变电场时，压电陶瓷片产生形变即 振动，如果振动频率在音频范围内就会发出声音。
应用此特性还可以制造谐振器、选频器、延迟线、滤波器等电
子元件。
有机压电材料
有机压电材料属于新一代的压电材料。 主要有压电半导体和高分子压电材料。
1882 年 ， 他 们 证 实 了 李 普 曼 (G ． Lippmann) 关于逆效应的预言： 电场引起压电晶体产生微小的收缩。 利用压电现象，他们还设计了一 种压电石英静电计——居里计。
某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部
就产生极化现象 , 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷 , 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 正压电效应是一种没有外电场作用只是形变产生的极化现象， 有时人们把这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。
Z
α-石英具有如右图所示的规则的 几何形状，它是一个六棱柱，两端是 六棱锥；α-石英是各向异性体，即在 各个方向晶体性质是不同的。
Y
X 理想石英晶体的外形
在晶体学中，有三根互相垂直的轴： Z轴是晶体的对称轴，光线沿它通过 晶体不产生双折射现象，故作为基准轴 (称Z轴为光轴)，在该轴方向上没有压电 效应；
当晶体受到沿 y 轴方向的压力作用时 , 晶体的变形如图 （c）所示, 与图（b）情况相似, 电偶极矩在x方向上的分量 由于 P1 的增大和 P2 、 P3 的减小而不等于零 , 即（ P1+P2+P3 ） x> 0 。在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴 方向上不出现电荷。 这种沿 Y 轴方向施加力，而在垂直于 X 轴的晶体表面上产 生电荷的现象，称为“横向压电效应”。 当作用力fx、fy的方向相反时, 电荷的极性也随之改变。
高分子压电材料外形图
6.1.1 石英晶体的压电效应
石英晶体是应用最广的压电晶体。其性能稳定，有天然 石英和人造石英。天然石英性能较人造石英更稳定，其介电常 数和压电常数的稳定性好，机械强度高，绝缘性好，重复性好， 线性范围宽。
石英晶体在温度低于 573℃时，为α- 石英，属六角晶系； 高于573℃时，为β-石英，属三角晶系。实验证明，α-石英 的压电效应很明显，β-石英的压电效应可以忽略。
下图是利用压电陶瓷传感器测量刀具切削力的示意图。 由于 压电陶瓷元件的自振频率高, 特别适合测量变化剧烈的载荷。图中 压电传感器位于车刀前部的下方 , 当进行切削加工时, 切削力通过 刀具传给压电传感器, 压电传感器将切削力转换为电信号输出 , 记 录下电信号的变化便测得切削力的变化。
压电式力传感器
电介质在沿一定方向上受到外力 产生变形 内部产生极化现象，表面产生电荷
压电效应动画演示
外力去掉，回到不带电状态
反之，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外 加电场后，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象称为 “逆压电效应”（电致伸缩效应）。
极化方向上施加交变电场 产生机械变形 去外加电场，变形消失
图所示晶片, 当在电轴方向施加作用力 Fx
时 , 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷， 其大小为：
qx d11Fx
石英晶体晶片
式中d11为x方向受力的压电系数。
6.3
压电式传感器的应用
6.3.1 压电式测力传感器
下图是压电式单向测力传感器的结构图, 它主要由石英晶片、 绝缘套、电极、上盖及基座等组成。
传感器上盖为传力元件, 它的外缘壁厚为0.1～0.5mm, 当外力
作用时, 它将产生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。
压电式单向测力传感器结构图
传感器上盖为传力元件, 它的外缘壁厚为0.1～0.5mm, 当外力 作用时, 它将产生弹性变形, 将力传递到石英晶片上。石英晶片采 用xy切型, 利用其纵向压电效应, 通过d11实现力—电转换。为了提 高传感器的输出灵敏度，可以用两片或多片晶片粘贴在一起。 石英晶片的尺寸为φ8×1mm 。该传感器的测力范围为 0 ～ 50N, 最小分辨率为0.01, 固有频率为50～60kHz, 整个传感器重10g。
X + Y + X
(b)
+ Y
(a)