压电原理及材料
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第五章 压电传感器
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英 时发现的。
在测量中,被测动态力和动态压力通过压 电传感器变化转换为电荷量的变化，再经测 量转换电路转换为输出电压。压电传感器是 属于自发电型传感器。
小实验
在完全黑暗的环境中,将一块干燥的冰糖用榔 头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发 出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生 的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应。
09.12.2020
2
第一节 压电传感器的工作原理
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。
压电式传感器主要用途: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（例如重量）的测量。
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般 有三类: 一类是压电晶体（如上述的石英 晶体）； 另一类是经过极化处理的压电 陶瓷；第三类是高分子压电材料。
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
六角形晶柱
天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
力F成正比 ，这种现象称为:“压电效应” 。
还有一些人造的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）。
小 知识
自然界中与压电效应有关的现象很多,例如在敦煌 的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘 上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个 现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振动 压力下，表面产生电荷 ，在某些时刻，恰好形成电 压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出 声音。
压电式传感器是一种典型的有源传感器 ；
压电效应具有可逆性,也是一种典型的“双向传感 器”；
压电式传感器的特点:
工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量 轻，工作可靠。
压电效应最贴近生活的应用:
燃气灶与打火机
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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，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的
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
压电式脚踏报警器
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
压电材料的特性:
（1）压电系数:是衡量材料压电效应强弱的参数,与压电输 出灵敏度有关。
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qx =d11Fx
由上述公式我们看到:
电荷qx的符号表示受压力还是受拉力 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 晶片电荷极性与受力关系
极间电压
09.12.2020
Ux
qx Cx
d11Fx Cx
16
若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍 在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为
与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出 脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振 动而发声的。
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6
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅,风生 细响语喁喁”。
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。
压电陶瓷的极化过程
09.12.2020
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压电陶瓷外形
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
百度文库
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。 ➢ 高分子压电材料是一种柔软的压电材料,可根据需 要制成薄膜或电缆套管等形状。 ➢ 不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制 成较大面积或较长的尺度； ➢ 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可 达80dB。
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晶 体 受 到 x 方 向 的 压 力 Fx 作 用,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,在x方向所产生的电荷qx与 作用力Fx成正比，即
式中，
qx =d11Fx
d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石 英晶体的d11=2.31*10-12C/N qx--垂直于X轴的平面上的电荷 Fx-沿X轴方向施加的作用力
沿y轴作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所 产生的电荷极性是相反的。
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当石英晶体沿z轴方向作用力时,由于晶体沿x 轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z 轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压 电效应，即d13=0
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（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它 比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成 本却较低，因此目前国内外生产的压电元件 绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷 材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非 铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
式中,
qy=d12(L/a)Fy
d12---y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称 性,有d12=-d11；
qy---垂直于x轴平面上的电荷 Fy---沿y轴方向施加的作用力 L、a-晶体切片的长度、厚度
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qy=d12(L/a)Fy
由上述公式我们看到: 沿机械轴y方向作用力在晶体表面产生的电荷与 晶体切片的尺寸有关；
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。
石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一 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，等效为一个正六边 形排列。
定性分析:
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，且三个电偶极矩的矢量和为0。
压电现象是100多年前居里兄弟研究石英 时发现的。
在测量中,被测动态力和动态压力通过压 电传感器变化转换为电荷量的变化，再经测 量转换电路转换为输出电压。压电传感器是 属于自发电型传感器。
小实验
在完全黑暗的环境中,将一块干燥的冰糖用榔 头敲碎，可以看到冰糖在破碎的一瞬间，发 出暗淡的蓝色闪光，这是强电场放电所产生 的闪光，产生闪光的机理是晶体的压电效应。
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第一节 压电传感器的工作原理
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。
压电式传感器主要用途: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（例如重量）的测量。
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料一般 有三类: 一类是压电晶体（如上述的石英 晶体）； 另一类是经过极化处理的压电 陶瓷；第三类是高分子压电材料。
（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
六角形晶柱
天然形成的石英晶体外形（续）
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
石英晶体振荡器（晶振）
力F成正比 ，这种现象称为:“压电效应” 。
还有一些人造的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）。
小 知识
自然界中与压电效应有关的现象很多,例如在敦煌 的鸣沙丘上，当许多游客在沙丘上蹦跳或从鸣沙丘 上往下滑时，可以听到雷鸣般的隆隆声。产生这个 现象的原因是无数干燥的沙子（SiO2晶体）在振动 压力下，表面产生电荷 ，在某些时刻，恰好形成电 压串联，产生很高的电压，并通过空气放电而发出 声音。
压电式传感器是一种典型的有源传感器 ；
压电效应具有可逆性,也是一种典型的“双向传感 器”；
压电式传感器的特点:
工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量 轻，工作可靠。
压电效应最贴近生活的应用:
燃气灶与打火机
09.12.2020
4
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，表面产生正电荷，电荷Q与所施加的
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
压电式脚踏报警器
高分子压电薄膜制作的压电喇叭
（逆压电效应）
压电材料的特性:
（1）压电系数:是衡量材料压电效应强弱的参数,与压电输 出灵敏度有关。
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15
qx =d11Fx
由上述公式我们看到:
电荷qx的符号表示受压力还是受拉力 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 晶片电荷极性与受力关系
极间电压
09.12.2020
Ux
qx Cx
d11Fx Cx
16
若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍 在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为
与此相反，在音乐贺卡中是利用集成电路的输出 脉冲电压，来激励压电片，利用逆压电效应产生振 动而发声的。
09.12.2020
6
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙的“雷送余音声袅袅,风生 细响语喁喁”。
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。
压电陶瓷的极化过程
09.12.2020
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压电陶瓷外形
无铅压电陶瓷及其换能器外形
（上海硅酸盐研究所研制）
百度文库
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚 氯乙烯（PVC）等。 ➢ 高分子压电材料是一种柔软的压电材料,可根据需 要制成薄膜或电缆套管等形状。 ➢ 不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制 成较大面积或较长的尺度； ➢ 价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可 达80dB。
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晶 体 受 到 x 方 向 的 压 力 Fx 作 用,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,在x方向所产生的电荷qx与 作用力Fx成正比，即
式中，
qx =d11Fx
d11-压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石 英晶体的d11=2.31*10-12C/N qx--垂直于X轴的平面上的电荷 Fx-沿X轴方向施加的作用力
沿y轴作用力所产生的电荷极性与沿x轴作用力所 产生的电荷极性是相反的。
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当石英晶体沿z轴方向作用力时,由于晶体沿x 轴方向和y轴方向产生同样的变形，因此沿z 轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压 电效应，即d13=0
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（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料,它 比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成 本却较低，因此目前国内外生产的压电元件 绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷 材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非 铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
式中,
qy=d12(L/a)Fy
d12---y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称 性,有d12=-d11；
qy---垂直于x轴平面上的电荷 Fy---沿y轴方向施加的作用力 L、a-晶体切片的长度、厚度
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qy=d12(L/a)Fy
由上述公式我们看到: 沿机械轴y方向作用力在晶体表面产生的电荷与 晶体切片的尺寸有关；
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。
石英晶体的特性与其内部分子结构有关。下图是一 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，等效为一个正六边 形排列。
定性分析:
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，且三个电偶极矩的矢量和为0。