第七章压电式传感器
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第七讲 压电式传感器PPT课件
压电陶瓷的压电效应 • 压电陶瓷具有铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构。 • 当压电陶瓷极化处理后，材料内部存有很强的剩余场极化； 受到外力作用时，电畴的界限发生移动，引起极化强度变化， 产生压电效应。
a—Z向施力；b—X向施力 压电陶瓷的压电效应
如图a所示，当压电陶瓷在极化面上受到沿极化方向（Z向）
高分子压电薄膜及拉制
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
二、 压电式传感器的测量电路 1.压电元件的串联与并联
(a)并联 (b)串联 压电元件的串联与并联
压电晶片的串、并联：
Fx
＋＋＋＋＋＋＋
Fx
―――――――
――――――― ＋＋＋＋＋＋＋
＋＋＋＋＋＋＋ ―――――――
最显著
从晶体上沿轴线切下的薄片称为
“晶体切片”。垂直于电轴Ｘ切割的 石英片，在与Ｘ轴垂直的两面覆以金 属，材料常为银或金，用以测量工作 面上产生的电荷。
切片在受到不同方向的作用力会产
生不同的极化作用。主要的压电效应 有纵向效应、横向效应和剪切效应。
X FX
＋＋＋ ＋＋
――― ―― FX
X FX
――― ―――
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
2021/3/19
石英晶体在振荡电 路中工作时，压电效应 与逆压电效应交替作用 ，从而产生稳定的振荡 输出频率。
6
• Z轴是晶体的对称轴，光轴，该轴方向没有压电效应； • X轴称电轴，电荷都积累在此轴晶面上，垂直于X轴晶
面的压电效应最显著； • Y轴称机械轴，逆压电效应时，沿此轴方向的机械变形
Q XY
d12
a b
FY
第七章__压电式传感器
+ + X 当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时， － 正、负离子相对位置随之发生变化，如图 － P1 P3 + X + （b）所示。此时正、负电荷中心不再重合， － + P2 电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0
－
-
+ +
在Y、Z方向上的电偶极矩分量为0
(b) FX<0
7.1.1 压电效应
7.1.2 压电常数和表面电荷的计算
从式（7.1）中可以看出切片上产生的电荷多少与 切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比。电荷qx的符号由晶 体受压还是受拉而决定，如图 (a)、(b)。 从(7.2)可看出y轴方向受力后，切片上产生的电 荷与切片的尺寸有关，qy与Fy成正比，电荷qy的符号由 晶体受压还是受拉而决定，如图 (c)、(d)。
（a）电压等效电路 （b）电荷等效电路
压电传感器等效原理
7.3 压电式传感器的等效电路
压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量 电路相连接，因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc， 放大器的输入电Ri，输入电容Ci以及压电传感器的泄 漏电阻Ra，这样压电传感器在测量系统中的实际等效 电路如图所示。
7.3 压电式传感器的等效电路
石英晶体
压电效应
石英晶体切片受力图
按特定方向切片
图7.3
(a)
(b)
(c)
(d)
7.3
压电式传感器的等效电路
1、等效电路 当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用 时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。 可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把 电极 它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器， 如图(b)。 其电容量为ε ε S εS r 0
《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
第7章---压电式传感器
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
(b)极化处理中
剩余伸长
(c)极化处理后
图6-6 压电陶瓷中的电畴变化示意图
2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方向上施加外 力时将会产生压电效应，但其过程不同于石英晶体的 压电过程。
（1）在未受外力作用下，整个压电片如图6-7所示。
不呈现极性而呈现中性。
1、压电效应过程分析 石英晶体压电片如图6-1（c）所示，在其X轴或Y 轴上加外力F时，均在X轴的两个截面上产生符号 相反的电荷。而在Z轴方向上加外力时，不会产生 任何压电效应。
（1）石英晶体 Si4O22 的结构 如图所示，硅氧离子结构排列，图6-2中（a）
Y
Y
-
+
X+
-X
-
+
（a)硅氧离子在Z平面上的投影
第二节 压电效应的分析 一、石英晶体的压电效应的分析 石英晶体：SiO2又称石英晶体（单晶体）。天然结 构的石英晶体呈现一个正六面体的形状。如图6-1 （a）所示：
图6-1 石英晶体
其中： X轴----电轴，经过六面体棱线 Y轴----机械轴，垂直于六面体棱面 Z轴---光轴，垂直于晶体截面且与X、Y轴垂直
+
P2
P3
+
X
-
-
Fx
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
（c)Fx>0
图6-5 石英晶体的压电示意图
(5)在Y轴方向施加力Fy(横向压电效应)
1. 当受拉力时，Fy>0,则其效果与图6-4 Fx<0情况相同。 2.当受压力时，Fy<0,则其效果与图6-5 Fx>0情况相同。
12第七章 压电式传感器7-2解析
（6-14）
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
压电式压力传感器
引线
壳体 基座
导电片 受压膜片 p
压电晶片
图7-19 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面
上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为
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。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
故可把压电传感器看成一个电荷源与一个
电容并联的电荷发生器。 其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出
一定的电压，其大小为
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
（ ω=0 ）时，前置放大器的输出电压等于
零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入 电压 Uim 如式（ 7-10 ）所示，式中 Cc 为连 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变，因而 Uim 也随之变化。因此，压电
100~104pF。
q d 33 F d 33 ma
与加速度a成正比。因此，测得加速度传感
q=d11F=d11ma 器输出的电荷便可知加速度的大小。
压电式压力传感器
引线
壳体 基座
导电片 受压膜片 p
压电晶片
图7-19 压电式测压传感器
当膜片受到压力F作用后，在压电晶片表面
上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷 q为
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。
地 L 面
LA
A O点
LB
B
两者时间差为
Δt= tA-tB=（LA - LB ）/v
又L=LA +LB ，所以
L t v LA 2 L t v LB 2
故可把压电传感器看成一个电荷源与一个
电容并联的电荷发生器。 其电容量为：
Ca q (a)
S r 0 S Ca
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出
一定的电压，其大小为
q Ua Ca
因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua 和一个电容器Ca的
Ca
串联电路，如图 (b)。
Ua (b)
（ ω=0 ）时，前置放大器的输出电压等于
零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传 感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不 能用于静态力的测量。
当 ω(Ca+Cc+Ci)R>>1 时，放大器输入 电压 Uim 如式（ 7-10 ）所示，式中 Cc 为连 接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将 改变，因而 Uim 也随之变化。因此，压电
100~104pF。
第七章压电式传感器-文档资料
F －－－－－ － ＋＋＋＋＋
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线
代表形变后的情况）
7.1.1 压电效应
由此可见，钛酸钡陶瓷所以具有压电效应，是由 于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工 序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强 度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此 极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还 可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自 由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中 产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的 变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。
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）。
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
剩余伸长
7.1.1 压电效应
在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电
荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一
层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚
7.1 压电式传感器的工作原理
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，是典型的双向有源传感器。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。
7.1.1 压电效应
晶体在Z轴方向力FZ的作用下，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，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压 电效应。
极化方向 －－－－－ ＋＋＋＋＋＋
压电效应示意图 （实线代表形变前的情况，虚线
代表形变后的情况）
7.1.1 压电效应
由此可见，钛酸钡陶瓷所以具有压电效应，是由 于陶瓷内部存在自发极化。这些自发极化经过极化工 序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强 度。如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此 极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。此外，还 可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自 由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中 产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的 变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。
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）。
直流电场E
剩余极化强度
电场作用下的伸长
剩余伸长
7.1.1 压电效应
在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电
荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一
层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚
7.1 压电式传感器的工作原理
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，是典型的双向有源传感器。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。
7.1.1 压电效应
晶体在Z轴方向力FZ的作用下，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，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压 电效应。
压电式传感器传感器技术及应用课件
在航空航天中的应用案例
压电式传感器在航空航天领域中可以 用于测量飞行器的压力、振动等参数， 保障飞行器的安全性和稳定性。
VS
例如，在飞机发动机中，压电式传感 器可以监测涡轮的工作状态，控制发 动机的运转，提高飞机的安全性能。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
它们能够提供连续、准确的生理数据， 帮助医生及时了解患者的病情和做出 准确的诊断。
航空航天
01
在航空航天领域，压电式传感器 主要用于监测飞机的气动性能、 发动机工作状态以及航天器的空 间环境等。
02
它们能够提供高精度、高可靠性 的数据，帮助保证飞机的安全和 航天器的正常工作。
03 压电式传感器的设计与制 造
02 压电式传感器的应用领域
工业自动化
压电式传感器在工业自动化领域中广泛应用于测量和控制，如压力、位移、振动和 加速度等物理量的测量。
它们能够提供高精度、高可靠性的数据，帮助实现自动化生产线的精确控制和优化。
压电式传感器还可以用于工业安全系统中，例如检测机器的异常振动或压力变化， 以预防潜在的故障或事故。
制作工艺
采用陶瓷工艺、薄膜工艺等制作技术 ，将压电材料制成具有特定结构和性 能的元件。
压电式传感器的封装与测试
封装材料
选择合适的封装材料，如环氧树脂、陶瓷等，以保护压电元件免受环境的影响。
测试方法
对封装后的传感器进行性能测试，包括灵敏度、频率响应、温度稳定性等方面 的测试。
04 压电式传感器的校准与标 定
压电式传感器传感器技术及应用课 件
目录
• 压电式传感器技术概述 • 压电式传感器的应用领域 • 压电式传感器的设计与制造 • 压电式传感器的校准与标定 • 压电式传感器的发展趋势与展望 • 实际应用案例分析
第7章 压电式传感器
第7章压电式传感器一、单项选择题1、对石英晶体，下列说法正确的是（）。
A. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，也没有电荷产生。
B. 沿光轴方向施加作用力，不会产生压电效应，但会有电荷产生。
C. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，但没有电荷产生。
D. 沿光轴方向施加作用力，会产生压电效应，也会有电荷产生。
2、石英晶体和压电陶瓷的压电效应对比正确的是（）A. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性也比石英晶体好B. 压电陶瓷比石英晶体的压电效应明显，稳定性不如石英晶体好C. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性也比压电陶瓷好D. 石英晶体比压电陶瓷的压电效应明显，稳定性不如压电陶瓷好3、两个压电元件相并联与单片时相比说法正确的是（）A. 并联时输出电压不变，输出电容是单片时的一半B. 并联时输出电压不变，电荷量增加了2倍C. 并联时电荷量增加了2倍，输出电容为单片时2倍D. 并联时电荷量增加了一倍，输出电容为单片时的2倍4、两个压电元件相串联与单片时相比说法正确的是（）A. 串联时输出电压不变，电荷量与单片时相同B. 串联时输出电压增大一倍，电荷量与单片时相同C. 串联时电荷量增大一倍，电容量不变D. 串联时电荷量增大一倍，电容量为单片时的一半5、用于厚度测量的压电陶瓷器件利用了（）原理。
A.磁阻效应B. 压阻效应C. 正压电效应D.逆压电效应6、压电陶瓷传感器与压电石英晶体传感器的比较是（）。
A．前者比后者灵敏度高 B．后者比前者灵敏度高C．前者比后者性能稳定性好 D．前者机械强度比后者的好7、压电石英晶体表面上产生的电荷密度与（）。
A．晶体厚度成反比 B．晶体面积成正比C．作用在晶片上的压力成正比 D．剩余极化强调成正比8、压电式传感器目前多用于测量（）。
A．静态的力或压力 B．动态的力或压力C．位移 D．温度9、压电式加速度传感器是适合测量下列哪种信号（）。
A. 适于测量任意B. 适于测量直流C. 适于测量缓变D. 适于测量动态10、石英晶体在沿机械轴y方向的力作用下会（）。
第07章压电式传感器ppt课件
(3) 铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷 (PMN) 具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续 工作，可作为高温力传感器。
胥
永 刚
§7.2 胥 永 刚
压电材料的分类及特性
胥永刚制
压电陶瓷外形
北京工业大学机电学院
胥
永 刚
§7.2 胥 永 刚
压电材料的分类及特性
胥
永 刚
§7.3 胥 永 刚
压电元件常用结构形式
胥永刚制
北京工业大学机电学院
(2) 双晶片元件
实际使用中，采用单片压电片工作要产生足够表面
电荷就需很大作用力，但测量粗糙度和微压差时所提供
的力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或两
片以上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片有
电荷极性，因此连接方式有并联和串联两种形式。
北京工业大学机电学院
晶振
石英晶体在振 荡电路中工作 时，压电效应 与逆压电效应 交替作用，从 而产生稳定的 振荡输出频率
胥
永 刚
§7.2 胥 永 刚
压电材料的分类及特性
胥永刚制
2. 压电陶瓷
北京工业大学机电学院
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
（a〕未极化陶瓷 （b〕正在极化陶瓷 （c〕极化后陶瓷
胥
永 刚
§7.5 胥 永 刚
压电传感器的测量电路
胥永刚制
1、电压放大器
北京工业大学机电学院
Ca：传感器电容 Ra：传感器漏电阻 Cc：连接电缆等效电容 Ri：放大器输入电阻 Ci：放大器输入电容
R Ra Ri Ra Ri
CCaCcCi
胥
永 刚
§7.5 胥 永 刚
胥
永 刚
§7.2 胥 永 刚
压电材料的分类及特性
胥永刚制
压电陶瓷外形
北京工业大学机电学院
胥
永 刚
§7.2 胥 永 刚
压电材料的分类及特性
胥
永 刚
§7.3 胥 永 刚
压电元件常用结构形式
胥永刚制
北京工业大学机电学院
(2) 双晶片元件
实际使用中，采用单片压电片工作要产生足够表面
电荷就需很大作用力，但测量粗糙度和微压差时所提供
的力很小，因此为了提高其灵敏度，通常是把两片或两
片以上同型号的压电元件粘贴在一起。由于压电晶片有
电荷极性，因此连接方式有并联和串联两种形式。
北京工业大学机电学院
晶振
石英晶体在振 荡电路中工作 时，压电效应 与逆压电效应 交替作用，从 而产生稳定的 振荡输出频率
胥
永 刚
§7.2 胥 永 刚
压电材料的分类及特性
胥永刚制
2. 压电陶瓷
北京工业大学机电学院
人工制造的多晶体，压电机理与压电晶体不同。
（a〕未极化陶瓷 （b〕正在极化陶瓷 （c〕极化后陶瓷
胥
永 刚
§7.5 胥 永 刚
压电传感器的测量电路
胥永刚制
1、电压放大器
北京工业大学机电学院
Ca：传感器电容 Ra：传感器漏电阻 Cc：连接电缆等效电容 Ri：放大器输入电阻 Ci：放大器输入电容
R Ra Ri Ra Ri
CCaCcCi
胥
永 刚
§7.5 胥 永 刚
压电式传感器原理
压电式传感器原理
一、什么是压电式传感器
压电式传感器是一种由电容式传感器演变而来的电磁式传感器，它利用晶体管在物理变化时所产生的电容效应，来对外界环境作出反应。
压电式传感器可以改变电容大小、变换电压幅度、改变电流流向、改变极性、改变电容量等，可以检测出外界压力、温度、拉力、拨动力等的变化。
二、压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是，当一个外力施加在晶体片上时，由于晶体与晶体之间电子的运动受到外力的影响，在晶体的正线上的电容变化，把外力的变化转化成电容变化。
由于电容变化会改变电路中的电流，因此可以检测到外力的变化。
三、压电式传感器的特点
1、结构紧凑：压电式传感器具有小尺寸、低成本和机械结构紧凑的特点，使它成为其他传感器技术所不可取代的传感器。
2、高灵敏度：由于电容改变量可达几微安的级别，使得压电式传感器具有极高的灵敏度，可以自动感知微小外界变化。
3、快速响应：压电式传感器的信号响应速度很快，具有良好的动态特性，并且能够保持较高的精度和准确度。
4、广泛的应用：压电式传感器可广泛应用于航空航天、汽车、电子仪表、运动控制、重力检测和高精度测量等领域。
- 1 -。
第7章 压电式传感器习题
q并 145 U并 = = = 1.16V C并 125
3、已知某压电式传感器测量最低信号频率f=1Hz,现要求 、已知某压电式传感器测量最低信号频率 现要求 信号频率时其灵敏度下降不超过5%， 在1Hz信号频率时其灵敏度下降不超过 ，若采用电压 信号频率时其灵敏度下降不超过 前置放大器输入回路总电容C 前置放大器输入回路总电容 i=50pF。求该前置放大器 。 输入总电阻R 是多少？ 输入总电阻 i是多少？ 根据电压前置放大器实际输入与理想输入电压幅 值比公式及题意得： 值比公式及题意得：
q并 = 2q x = 2d11 Fx = 2d11πr p x
2
= 2 × 2.31×10 = 145 ×10
−12
−12
× π ×1 × 0.1×10
2
2
C = 145 pC
并联总电容为单电容的2倍 并联总电容为单电容的 倍
C并 = 2C = 2
ε 0ε r S
t
8.85 ×10 −12 × 4.5 × π ×12 = 2× = 125 pF 0.02 电极间电压
C=
ε 0ε r S
= 3.98 ×10
−11
F
q 6.93 ×10 U= = = 174V −11 C 3.98 × 10
2、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度 某压电式压力传感器为两片石英晶片并联， 圆片半径r=1cm,ε=4.5, x切型纵向石英晶体压 t=0.2mm，圆片半径 切型纵向石英晶体压 电系数d 电系数 11=2.31×10-12C/N 。当0.1MPa压力垂直作用于 压力垂直作用于 px平面时，求传感器输出电荷 及电极间电压 a的值。 平面时，求传感器输出电荷q及电极间电压 的值。 及电极间电压U 当两片石英晶片并联，输出电荷q并为单片的2倍 当两片石英晶片并联，输出电荷 为单片的 倍
3、已知某压电式传感器测量最低信号频率f=1Hz,现要求 、已知某压电式传感器测量最低信号频率 现要求 信号频率时其灵敏度下降不超过5%， 在1Hz信号频率时其灵敏度下降不超过 ，若采用电压 信号频率时其灵敏度下降不超过 前置放大器输入回路总电容C 前置放大器输入回路总电容 i=50pF。求该前置放大器 。 输入总电阻R 是多少？ 输入总电阻 i是多少？ 根据电压前置放大器实际输入与理想输入电压幅 值比公式及题意得： 值比公式及题意得：
q并 = 2q x = 2d11 Fx = 2d11πr p x
2
= 2 × 2.31×10 = 145 ×10
−12
−12
× π ×1 × 0.1×10
2
2
C = 145 pC
并联总电容为单电容的2倍 并联总电容为单电容的 倍
C并 = 2C = 2
ε 0ε r S
t
8.85 ×10 −12 × 4.5 × π ×12 = 2× = 125 pF 0.02 电极间电压
C=
ε 0ε r S
= 3.98 ×10
−11
F
q 6.93 ×10 U= = = 174V −11 C 3.98 × 10
2、某压电式压力传感器为两片石英晶片并联，每片厚度 某压电式压力传感器为两片石英晶片并联， 圆片半径r=1cm,ε=4.5, x切型纵向石英晶体压 t=0.2mm，圆片半径 切型纵向石英晶体压 电系数d 电系数 11=2.31×10-12C/N 。当0.1MPa压力垂直作用于 压力垂直作用于 px平面时，求传感器输出电荷 及电极间电压 a的值。 平面时，求传感器输出电荷q及电极间电压 的值。 及电极间电压U 当两片石英晶片并联，输出电荷q并为单片的2倍 当两片石英晶片并联，输出电荷 为单片的 倍
《压电式传感器》课件
结构简单
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
压电式传感器结构简单，易于加工和 集成。
压电式传感器的优缺点
响应速度快
由于压电效应的快速响应特性，压电式传感器具有较快的响 应速度。
无热干扰
由于压电式传感器不需要加热元件，因此不会受到热干扰的 影响。
压电式传感器的优缺点
易受环境影响
压电式传感器容易受到环境温度、湿度等因素的影响，需要进行温度补偿和湿 度补偿。
水声探测
在水下环境中，压电式传感器可用于水声探测和声呐系统，实现 水下目标的定位和识别。
05
压电式传感器的校准与维护
压电式传感器的校准方法
压电式传感器的校准是确保测量准确性的重要步骤，通常包括零点校准和灵敏度校 准。
零点校准是将传感器的输出读数调整到零或一个已知的基准值，以消除任何偏差。
灵敏度校准是测试传感器在不同激励电压下的输出响应，以验证其线性度和准确性。
和处理。
特点
高输入阻抗、低输出阻抗、稳定 性好。
04
压电式传感器的应用实例
压力测量
压力传感器
压电式传感器在压力测量中应用广泛，如气瓶压力监测、管道压 力检测等。
压电式压力计
用于测量液体或气体的压力，具有高精度、高稳定性的特点。
压电薄膜压力传感器
利用压电薄膜作为敏感元件，可测量微小压力变化，常用于生物医 学和环境监测领域。
电压放大器
概述
电压放大器用于放大压电传感器 输出的电压信号。
工作原理
电压放大器通过直接耦合方式，将 压电传感器的电压信号进行放大。
特点
低输入阻抗、高输出阻抗、线性度 高。
阻抗变换号
的电路。
工作原理
阻抗变换器通过电阻、电容等元 件，将高阻抗的输出信号转换为 低阻抗的输出信号，以便于传输
压电式传感器介绍与应用
➢当FY>0时（拉力），与FX<0时的情况类似，在x轴的正方向出现正电； ➢当FY<0时（压力）， 与FX>0时的情况类似，在x轴的正方向出现负电；
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
③沿Z（光轴）对晶片施加力FZ时，无压电效应。
由于正负离子位置保持不变，
，所以不产生任何方向上的压电效
关系； ➢ 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； ➢ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应——电荷大小分析
（1）纵向压电效应产生的电荷：
➢ —X轴施力，垂直于X轴平面上的电荷；
➢ —压电系数。X轴施加力，垂直于X轴平 面上产生电荷；
（1）在X轴方向上，施加外力FX时， ①X轴表面产生的电荷量
——压电系数，石英晶体 =2.3×10-12C/N 分析：作用力使晶体发生形变，并发生极化现象，产生一定的极化强度。
其极化强度：
与应力 大小有关
则：
l、b——石英晶片的长度和宽度
➢ 极化强度在数值上等于晶面上的电荷密度 ➢ 而极化强度 ➢ 所以， ② 相应的逆压电效应，在X轴方向上施加外电压，则晶体产生的形变为：
机械能→→电能
（3）压电效应分析 ③外加与极化方向相同/相反的电场
电能→→机械能
➢如果在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度
增大。这时，陶瓷片内的正、负束缚电荷之间的距离也增大，即陶瓷片沿
极化方向产生伸长形变。
➢同理，如果外加电场的方向与极 化方向相反，则陶瓷片沿极化方向 产生收缩形变。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
③沿Z（光轴）对晶片施加力FZ时，无压电效应。
由于正负离子位置保持不变，
，所以不产生任何方向上的压电效
关系； ➢ 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； ➢ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应——电荷大小分析
（1）纵向压电效应产生的电荷：
➢ —X轴施力，垂直于X轴平面上的电荷；
➢ —压电系数。X轴施加力，垂直于X轴平 面上产生电荷；
（1）在X轴方向上，施加外力FX时， ①X轴表面产生的电荷量
——压电系数，石英晶体 =2.3×10-12C/N 分析：作用力使晶体发生形变，并发生极化现象，产生一定的极化强度。
其极化强度：
与应力 大小有关
则：
l、b——石英晶片的长度和宽度
➢ 极化强度在数值上等于晶面上的电荷密度 ➢ 而极化强度 ➢ 所以， ② 相应的逆压电效应，在X轴方向上施加外电压，则晶体产生的形变为：
机械能→→电能
（3）压电效应分析 ③外加与极化方向相同/相反的电场
电能→→机械能
➢如果在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度
增大。这时，陶瓷片内的正、负束缚电荷之间的距离也增大，即陶瓷片沿
极化方向产生伸长形变。
➢同理，如果外加电场的方向与极 化方向相反，则陶瓷片沿极化方向 产生收缩形变。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
压电式传感器资料
压电式传感器资料
目录
CONTENTS
• 压电式传感器概述 • 压电效应及材料特性 • 传感器结构与工作原理 • 性能评价与测试方法 • 选型、安装与使用注意事项 • 典型应用案例分析
01 压电式传感器概述
CHAPTER
定义与工作原理
定义
压电式传感器是一种利用压电效应将机械能转换为电能的装置。其核心部件是压 电材料，当受到外力作用时，压电材料内部会产生极化现象，从而在材料表面产 生电荷，实现机械能到电能的转换。
01
03
机械品质因数
反映压电材料在振动过程中的能量损 耗，影响传感器的频率响应和稳定性。
选用依据
根据具体应用场景和需求，综合考虑 压电材料的性能参数、成本、加工难 度等因素进行选择。
05
04
居里温度
压电材料失去压电性的温度点，选用 时需考虑传感器的工作温度范围。
03 传感器结构与工作原理
CHAPTER
航空航天
在航空航天领域，压电式传感器可用于测量飞行 器的加速度、振动、压力等参数，确保飞行器的 安全和稳定。
军事领域
压电式传感器在军事领域也有广泛应用，如用于 测量枪炮射击时的后坐力、导弹发射时的冲击力 等。
谢谢
THANKS
压电力传感器
压电压力传感器
利用压电元件在压力作用下产生电荷 的原理来测量压力。广泛应用于气压、 液压等压力测量领域。
通过测量受力物体对压电元件的作用 力来测量力的大小。常用于工业控制、 机器人等领域中的力反馈控制。
04 性能评价与测试方法
CHAPTER
性能评价指标体系建立
重复性
线性度
描述传感器输出信号与被测量之 间线性关系的程度，用线性误差 表示。
目录
CONTENTS
• 压电式传感器概述 • 压电效应及材料特性 • 传感器结构与工作原理 • 性能评价与测试方法 • 选型、安装与使用注意事项 • 典型应用案例分析
01 压电式传感器概述
CHAPTER
定义与工作原理
定义
压电式传感器是一种利用压电效应将机械能转换为电能的装置。其核心部件是压 电材料，当受到外力作用时，压电材料内部会产生极化现象，从而在材料表面产 生电荷，实现机械能到电能的转换。
01
03
机械品质因数
反映压电材料在振动过程中的能量损 耗，影响传感器的频率响应和稳定性。
选用依据
根据具体应用场景和需求，综合考虑 压电材料的性能参数、成本、加工难 度等因素进行选择。
05
04
居里温度
压电材料失去压电性的温度点，选用 时需考虑传感器的工作温度范围。
03 传感器结构与工作原理
CHAPTER
航空航天
在航空航天领域，压电式传感器可用于测量飞行 器的加速度、振动、压力等参数，确保飞行器的 安全和稳定。
军事领域
压电式传感器在军事领域也有广泛应用，如用于 测量枪炮射击时的后坐力、导弹发射时的冲击力 等。
谢谢
THANKS
压电力传感器
压电压力传感器
利用压电元件在压力作用下产生电荷 的原理来测量压力。广泛应用于气压、 液压等压力测量领域。
通过测量受力物体对压电元件的作用 力来测量力的大小。常用于工业控制、 机器人等领域中的力反馈控制。
04 性能评价与测试方法
CHAPTER
性能评价指标体系建立
重复性
线性度
描述传感器输出信号与被测量之 间线性关系的程度，用线性误差 表示。
第7章 压电式传感器
第7章压电式传感器（2学时）本章主要内容7.1 压电式传感器的基本原理7.2 压电式传感器的测量转换电路7.3 压电式传感器的应用教学要求及重点、难点一. 教学要求1. 了解压电式传感器基本原理，2. 熟悉压电式传感器的测量转换电路3. 了解压电式传感器的应用二. 重点、难点压电式传感器的测量转换电路概述压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)具有压电效应现象制成的。
有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷从而可以实现对非电量的检测。
压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点，适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航等方面。
压电式传感器是一种无源传感器，大多数是利用正向压电效应制成的。
外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为正向压电效应，简称压电效应。
当然这种电介质材料也具有逆压电效应，即在相应表面上施加电压后，电介质材料会发生机械变形；去掉电压后，变形立即消失，它将电能转换成机械能。
逆压电效应也称电致伸缩效应。
7.1 压电式传感器的基本原理一. 压电效应与压电材料1. 压电效应某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。
当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。
压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。
某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。
当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，称为正压电效应。
相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生一定的机械变形或机械应力，这种现象称为逆向压电效应，也称为电致伸缩效应。
图6.1所示压电元件受力变形后的几种基本形式。
2. 压电材料：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，具有一定的可逆性，如图4.71 所示。
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
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X
② 加电场
•
电畴方向发生转动, 趋向于按外电场方向排列, 从而使材料得到
极化。
•
外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。
➢ 若外电场强度大到，使材料的极化达到饱和程度, 即所有电畴极化方 向都整齐地与外电场方向一致。当外电场去掉后, 电畴的极化方向基 本不变, 这时的材料具有压电特性。
当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形。可将电能转换为机械能， 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。
X
1 石英晶体
➢ 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发 现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。
如果作用力Fx改为拉力时，则电荷仍出现在在垂直于X轴的平面上，但 极性相反，如图（a）、（b）。
➢
在同一晶片上作用力是沿着Y轴（机械轴）的方向，其电荷仍在与
X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为
qxy d12 blbhFy
X
根据石英晶体轴的对称条件
d12d11
qxy d11hl Fy
负号：表示沿Y轴（机械轴）的压缩力产生的电 荷与沿X轴（电轴）施加的压缩力所产生的电荷极性 相反。
由式可见，沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产 生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。
X
2、压电陶瓷
①未加电场 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时, 电畴 在晶体中杂乱分布, 它们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,
X
压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即作 用力沿极化方向），则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其
电荷量q与力F成正比，比例系数为 d33，亦即
qd33F
式中d33——压电陶瓷的纵向压电系数。 在压电陶瓷中，通常把它的极化方向定为Z轴（下标3），这是它的 对称轴，在垂直于Z轴的平面上，任意选择的正交轴为X轴和Y轴。
第7章 压电式传感器
7.l 压电式传感器的工作原理
§7.1.1 压电效应 §7.1.2 压电效应的物理解释 7.2 压电元件常用结构形式
7.3 压电元件的等效电路及测量电路
电式加速度传感器
§7.4.1 工作原理及特性 §7.4.2 压电加速度传感器的典型结构 §7.4.3 压电式加速度传感器的应用 7.5 压电式压力传感器
概述
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
压电警号
压电陶瓷位移器
压电秤重浮游计
7.1.1 压电效应
某些电介质（晶体）
➢ 当沿着一定方向施加力变形时， 内部产生极化现象，同时在它表 面会产生符号相反的电荷；
➢ 当外力去掉后，又重新恢复不 带电状态；
➢当作用力方向改变后，电荷的 极性也随之改变；
❖ 这种现象称压电效应。
X
极化压电陶瓷的平面是各向同性的。
即：压电常数可用等式 d32=d31表示。它表明平行于极化轴（Z轴） 的电场，与沿着 Y轴（下标2）或X轴（下标１）的轴向应力的作用
关系是相同的。
极化压电陶瓷受到均匀分布的作用力F时，在镀银的极化面上， 分别出现正、负电荷q。
qd32FAyAx d31FAyAx
式中
➢ 压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。
外形结构
压 电 晶 片
人工合成水晶
按特定方向切片
1.石英晶体
石英晶体是单晶体结构。 构成：它是一个正六面体，有右旋和左旋晶体之分， 外形互为镜像对称。 石英晶体各个方向的特性是不同的。
X
• 电轴（X轴）：垂直于此轴面上的压电效应最强。 • 机械轴（Y轴）：在电场沿X向作用下，沿该轴方
X
从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图所示。
当晶片在沿X轴(电轴)的方向上受到压缩应力sxx的作用时，晶片将产生厚
度变形，并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，极化强度Pxx与应
力Fxx 成正比，即
Pxxd11 xxd11F lbx
极化强度Pxx，等于晶片表面的电荷密度， 即
把Pxx值代入得
Pxx
q xx lb
qxxd11Fx
由式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx与作用力Fx成正比，而
与晶片的几何尺寸无关。
X
石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图所示
X
Fx
X Fx
X
X
Fy
Fy
（ a）
（ b）
（ c）
（ d）
➢ 在X轴（电轴）方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；
❖ 压电效应是可逆的
➢在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
• 所以压电元件可以将机械能——转化成电能
➢ 也可以将电能——转化成机械能。
机 械 能
压电元件
电 能
7.1压电式传感器的工作原理
7.1.1压电效应
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, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）, 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。
§7.5.1 压电式压力传感器的原理及结构 §7.5.2 压电式压力传感器的结构及应用
概述
➢ 压电式传感器是一种典型的发电型传感器， 以电介质的压电效应为基础，外力作用下在 电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 ➢ 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲 击和振动进行测量，在声学、医学、力学、 导航方面都得到广泛的应用。
Ax——极化面的面积； Ay——受力面的面积。
F
极化面
F
F
F
(a)
(b)
X
7.1.2压电效应的物理解释
石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。 其化学式为 SiO2。在一个晶体单元中有三个硅离 子 Si4+和六个氧离子 O2-，后者是成对的。所以一 个硅离子和两个氧离子交替排列。
向的机械变形最大。 • 光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过石英晶
体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象 。 “纵向压电效应”:通常把沿电轴x 方向的力作用下 产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,; “横向压电效应”:沿机械轴y 方向的作用下产生电荷 的压电效应称为“横向压电效应”。 沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。
② 加电场
•
电畴方向发生转动, 趋向于按外电场方向排列, 从而使材料得到
极化。
•
外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。
➢ 若外电场强度大到，使材料的极化达到饱和程度, 即所有电畴极化方 向都整齐地与外电场方向一致。当外电场去掉后, 电畴的极化方向基 本不变, 这时的材料具有压电特性。
当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形。可将电能转换为机械能， 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。
X
1 石英晶体
➢ 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发 现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。
如果作用力Fx改为拉力时，则电荷仍出现在在垂直于X轴的平面上，但 极性相反，如图（a）、（b）。
➢
在同一晶片上作用力是沿着Y轴（机械轴）的方向，其电荷仍在与
X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为
qxy d12 blbhFy
X
根据石英晶体轴的对称条件
d12d11
qxy d11hl Fy
负号：表示沿Y轴（机械轴）的压缩力产生的电 荷与沿X轴（电轴）施加的压缩力所产生的电荷极性 相反。
由式可见，沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产 生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。
X
2、压电陶瓷
①未加电场 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时, 电畴 在晶体中杂乱分布, 它们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,
X
压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即作 用力沿极化方向），则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其
电荷量q与力F成正比，比例系数为 d33，亦即
qd33F
式中d33——压电陶瓷的纵向压电系数。 在压电陶瓷中，通常把它的极化方向定为Z轴（下标3），这是它的 对称轴，在垂直于Z轴的平面上，任意选择的正交轴为X轴和Y轴。
第7章 压电式传感器
7.l 压电式传感器的工作原理
§7.1.1 压电效应 §7.1.2 压电效应的物理解释 7.2 压电元件常用结构形式
7.3 压电元件的等效电路及测量电路
电式加速度传感器
§7.4.1 工作原理及特性 §7.4.2 压电加速度传感器的典型结构 §7.4.3 压电式加速度传感器的应用 7.5 压电式压力传感器
概述
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
压电警号
压电陶瓷位移器
压电秤重浮游计
7.1.1 压电效应
某些电介质（晶体）
➢ 当沿着一定方向施加力变形时， 内部产生极化现象，同时在它表 面会产生符号相反的电荷；
➢ 当外力去掉后，又重新恢复不 带电状态；
➢当作用力方向改变后，电荷的 极性也随之改变；
❖ 这种现象称压电效应。
X
极化压电陶瓷的平面是各向同性的。
即：压电常数可用等式 d32=d31表示。它表明平行于极化轴（Z轴） 的电场，与沿着 Y轴（下标2）或X轴（下标１）的轴向应力的作用
关系是相同的。
极化压电陶瓷受到均匀分布的作用力F时，在镀银的极化面上， 分别出现正、负电荷q。
qd32FAyAx d31FAyAx
式中
➢ 压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。
外形结构
压 电 晶 片
人工合成水晶
按特定方向切片
1.石英晶体
石英晶体是单晶体结构。 构成：它是一个正六面体，有右旋和左旋晶体之分， 外形互为镜像对称。 石英晶体各个方向的特性是不同的。
X
• 电轴（X轴）：垂直于此轴面上的压电效应最强。 • 机械轴（Y轴）：在电场沿X向作用下，沿该轴方
X
从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图所示。
当晶片在沿X轴(电轴)的方向上受到压缩应力sxx的作用时，晶片将产生厚
度变形，并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，极化强度Pxx与应
力Fxx 成正比，即
Pxxd11 xxd11F lbx
极化强度Pxx，等于晶片表面的电荷密度， 即
把Pxx值代入得
Pxx
q xx lb
qxxd11Fx
由式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx与作用力Fx成正比，而
与晶片的几何尺寸无关。
X
石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图所示
X
Fx
X Fx
X
X
Fy
Fy
（ a）
（ b）
（ c）
（ d）
➢ 在X轴（电轴）方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；
❖ 压电效应是可逆的
➢在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
• 所以压电元件可以将机械能——转化成电能
➢ 也可以将电能——转化成机械能。
机 械 能
压电元件
电 能
7.1压电式传感器的工作原理
7.1.1压电效应
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, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）, 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。
§7.5.1 压电式压力传感器的原理及结构 §7.5.2 压电式压力传感器的结构及应用
概述
➢ 压电式传感器是一种典型的发电型传感器， 以电介质的压电效应为基础，外力作用下在 电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 ➢ 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲 击和振动进行测量，在声学、医学、力学、 导航方面都得到广泛的应用。
Ax——极化面的面积； Ay——受力面的面积。
F
极化面
F
F
F
(a)
(b)
X
7.1.2压电效应的物理解释
石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。 其化学式为 SiO2。在一个晶体单元中有三个硅离 子 Si4+和六个氧离子 O2-，后者是成对的。所以一 个硅离子和两个氧离子交替排列。
向的机械变形最大。 • 光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过石英晶
体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象 。 “纵向压电效应”:通常把沿电轴x 方向的力作用下 产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,; “横向压电效应”:沿机械轴y 方向的作用下产生电荷 的压电效应称为“横向压电效应”。 沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。