压电式传感器分析

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。 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。 这就是压电式传感器的理论基础

把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的 压电效应称为“纵向压电效应” 把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生 的压电效应称为“横向压电效应”
z O

y

沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生
压电பைடு நூலகம்应
x
（a）

压电式传感器主要是利用纵向压电效应

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。 因为P = qL（q为电荷量，L为


2.2

压电材料
压电材料可分为三大类：
一是压电晶体(单晶)，它包括压电石英晶体和其他压电单晶； 二是压电陶瓷(多晶半导瓷)； 三是新型压电材料，又可分为压电半导体和有机高分子压电材料两种。

在传感器技术中，目前国内外普遍应用的是压电单晶中的 石英晶体和压电多晶中的钛酸钡与锆钛酸铅系列压电陶瓷。
正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部 就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方 向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷 量与外力的大小成正比。 压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现 象，又称电致伸缩效应。压电敏感元件的受力变形有厚度变 形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式。

当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用时，它在x方向产生 正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。 晶体在y（即机械轴）方向的力 Fy作用下，在x方向产生正 压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。 晶体在z轴方向受力Fz的作用时，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，在沿z(即光轴 )方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。

压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态 下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应， 但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
(a) (b)
天然石英晶体； 人工石英晶体；
(c) 右旋石英晶体理想外形
以石英晶体为例具体说明压电效应

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。



正负电荷之间的距离），此时
正负电荷中心重合，电偶极矩
的矢量和等于零，即
P1+P2+P3＝0
所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。

当晶体受到沿x方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生收 缩，正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电 荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x 方向上的分量不再等于零: (P1+P2+P3)x>0 在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0
现象。——正压电效应。

若在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。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大， 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缩短形 变。这种 由于电效应而转变为机 械效应，或者由电能转

第二章
工作原理
某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时 其内部产生极化现象，此时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，它又重新恢复到不带电的 状态，这种现象被称为压电效应。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”。
压电式传感器
研14 张立伟
压电式传感器

第一章 第二章 第三章 第四章 第六章 第七章
概述 工作原理（压电效应，压电材料） 一般应用 具体汽车上的应用 压电式传感器的优缺点 应用前景
第五章 精讲爆震传感器，从信号采集到显示，执行
第一章
概述
基于压电效应的传感器，将被测量变化转换成由于材料受机 械力产生的静电电荷或电压变化的传感器。 是一种自发电式和机电转换式传感器。 它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电 荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成 为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和 能变换为力的非电物理量。


度对外界的作用。

如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力 F，陶瓷片 将产生压缩形变。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小， 极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而 出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，极化强 度也变大， 因此电极上又吸附一部 分自由电荷而出现充电

压电陶瓷

压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶铁电体。所谓 “多晶”，它是由无数细微的单晶组成；所谓“铁电体”， 它具有类似铁磁材料磁畴的“电畴”结构。每个单晶形成 一单个电畴，无数单晶电畴的无规则排列，致使原始的压 电陶瓷呈现各向同性而不具有压电性

陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即 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 内的束缚电荷符号相反 而数量相等，它屏蔽和 抵消了陶瓷片内极化强



(P1+P2+P3)z= 0

当晶体受到沿 x 方向的拉力作用时，电偶极矩 P1 增大， P2 、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (P1 +P2 +P3) x<0 (P1+ P2+ P3)y =0


(P1 +P2 +P3)z =0

在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。