压电式传感器介绍和应用

➢
—沿Y方向施加力；
➢当晶片受Y向的压力时，
➢ q X Y 与作用力 F Y 成正比，且与晶片的几何尺寸有关；
晶片电荷极性与受力方向关系
压
拉
拉 压
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体
压电式传感器介绍和应用
➢压电式传感器是力敏感元件，将被测量力、压力、加速度等转换成压电器
件的表面电荷量，以实现非电量的电测目的。
➢压电式传感器是以某些晶体受力后，在其表面产生电荷的压电效应为转换
原理的传感器。（敏感元件：压电材料/晶体） ➢它可以测量最终能变换为力的各种物理量，如力、压力、加速度等，实现 非电量的测量，是一种典型的有源传感器（发电型/自发电式/机电转换式）； ➢压电式传感器具有体积小，重量轻，工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、 测量范围广等特点，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。
第七章 压电式传感器
➢压电效应（石英和压电陶瓷） ➢压电元件的等效电路 ➢信号调解电路 ➢应用
7.1 压电效应及压电材料
电势型传感器 压电效应可逆
以压电效应为基础 “双向传感器”
➢某些晶体，在一定方向受到外力作用而产生形变时，会引起它内部的正负 电荷中心相对转移而产生极化，导致在晶体的两个相对表面产生符号相反的 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，电荷的极性也随之改变，这种现象为压电效应。
性关系； ➢ 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；
➢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
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
①沿X（电轴）对晶片施加力FX时，在垂直于X轴的表面产生电荷 ——纵向压电效应
➢当FX>0时（拉力），在x轴的正方向出现负电； ➢当FX<0时（压力），在x轴的正方向出现正电；
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
②沿Y（机械轴）对晶片施加力FY时，在垂直于X轴的表面产生电荷 ——横向压电效应
应。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
晶片电荷极性与受力方向关系
（a）
（b）
➢图（a）：在X轴方向受压力
➢图（b）：在X轴方向受拉力 ➢图（c）：在Y轴方向受压力 ➢图（d）：在Y轴方向受拉力
（c）
纵向压电效应 横向压电效应
（d）
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
ห้องสมุดไป่ตู้正压电效应
机 械 能
压电元件
电 能
逆压电效应
➢压电式传感器又叫双向传感器
7.1 压电效应及压电材料
3. 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。 ➢压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。
食盐晶体
石英晶体
石英晶体 云母晶体
石英晶体振荡器 （晶振）
➢具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电半导体等。
➢压电效应分：正压电效应和逆压电效应。 加力 → 变形 → 产生电荷
7.1 压电效应及压电材料 1. 正压电效应
➢某些晶体（电介质）受到一定方向上的机械外力作用时，其内部产生极化 现象（类似于铁磁体的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号相反的电荷 （或产生内部电场）。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。
相对应变
——X轴方向上的电场强度
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
（2）同理，在Y轴方向上，施加外力FY时， ①X轴表面产生的电荷量
分析： ∵
而电荷密度
∴
②相应的逆压电效应产生的形变
在X轴方向上，加外电场UX
相对应变
由上述可知： ➢ 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间呈线
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
➢石英晶体有三个晶轴： ➢X轴——电轴或1轴，通过六面体相对的两个 棱线，并垂直于光轴； ➢Y轴——机械轴或2轴，垂直于两个相对的晶 柱棱面； ➢Z轴——光轴或3轴，与晶体的纵轴线方向一 致（与x，y轴垂直）
➢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）方向施加力时，不产生压电效应。
➢
—沿X方向施加力；
➢当晶片受X向的压力时， ➢ 与作用力 成正比，与晶片的几何尺寸无关； ➢若 改为拉力时，在垂直于X轴的平面上出现等量电荷，但极性相反。
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
（2）横向压电效应产生的电荷：
➢ —Y轴施力，垂直于X轴平面上的电荷；
➢ —压电系数。Y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
机械能→→→电能
7.1 压电效应及压电材料 2. 逆压电效应
➢在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，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，这种现象称为“电致伸缩效 应”，也叫做“逆压电效应”。（施加电场→电介质产生变形→应力） ➢常见的压电材料由石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。