压电式力学量传感器
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度范围； ⑤ 时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。
•概念：压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料
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压电晶体
① 石英。它是一种天然晶体，现在已有高化学 纯度和结构完善的人工合成的石英晶体，压 电系数d11＝2.31×10-12 C／N。在几百度的温 度范围内，压电系数不随温度而变。
② 水熔性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸 钾钠、酒石酸乙烯二铵(简称EDT)、酒石酸 二钾(简称DKT)，硫酸锂。
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压电陶瓷产生压电效应的原理
•极化前，晶粒内存在许多自发极化的电畴;自发极化作用相 互抵消，陶瓷内极化强度为0 •极化中，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，压 电陶瓷具有一定极化强度 •极化后，各电畴的自发极化在一定程度上按原来外加电场 方向取向，存在剩余极化强度；极化两端出现束缚电荷
号就与前者正好相反。
5
产生压电效应的原因：(2) y轴上受力 如果沿y轴方向上压缩，如图（c）所示，硅离子3和氧离子2以及 硅离子5和氧离子6都向内移动同一数值，故在电极C和D上仍不呈 现电荷，而由于相对把硅离子l和氧离子4向外挤，则在A和B表面 上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A和B上电荷符 号与前者相反。
③ 属于正方晶系的有磷酸二氢钾(简称KDP)、 磷酸二氢氨(简称ADP)、砷酸二氢钾(简称 KDA)、砷酸二氢氨(简称ADA)。
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压电陶瓷—人工制造的多晶体
① 钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷。具有比较高的压电系效(d33＝ 107×10 -12C／N)和介电常数，机械强度不及石英。
② 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)．压电系数较高(d33 ＝(200-500)× -12C／N )，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小， 在锆钛酸铅的基方中添加一二种微量元素，如La、Nb、Sb、 Sn、Mn、W等，可以获得不同性能的PZT材料。
或压应力
在yz平面内作用的 剪切力
压电常数矩阵
沿z轴方向受力 作用时不存在 压电效应
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由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意义的石英晶体变形方式有： ① 厚度变形（简称为TE方式)，如图 (a)所示。——纵向压电效应 ② 长度变形(简称LE方式）。如图 (b)所示。——横向压电效应 ③ 面剪切变形(简称FS方式)。如图 (d)所示。 ④ 厚度的切变形(简称TS方式)。如图 (c)所示。 ⑤ 弯曲变形(简称BS方式)。——拉、压应力和剪切应力共同作用 ⑥ 体积变形(简称VE方式)。——针对压电陶瓷
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4.2 压电材料
• 选用压电材料应考虑以下几方面： ① 转换性能：具有较大的压电常数； ② 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高、刚度大、宽的
线性范围和高的固有振动频率； ③ 电性能；希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电
容的影响并获得良好的低频特性； ④ 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温
晶体切片上电荷符号与受力方向的关系
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产生压电效应的原因：(1) x轴上受力 如果在x轴方向压缩，如图（b）所示，则硅离子1就挤入氧
离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5之间。结果在表
面A上呈现负电荷、而在表面B呈现正电荷。如果所受的力为 拉伸，则硅离子1和氧离子4向外移，在表面A和B上的电荷符
➢ z轴表示其纵向轴，称为光轴； ➢ x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴； ➢ y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。 ➢ 通常把沿电轴(x袖)方向的力作用下产生电荷的压电效应 称为“纵向压电效应”； ➢ 而把沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应 称为“横向压电效应”； ➢在光轴(z轴)方向受力时则不产生压电效应
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4.1 压电式传感器的工作原理 4.2 压电材料 4.3 压电式传感器的等效电路 4.4 压电式传感器的信号调节电路 4.5 压电式加速度传感器 4.6 压电式测力传感器
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4.1 压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。
•概念：当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生 变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新 回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压 电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石 英、钛酸钡、锆钛酸铅等
③ 铌酸盐系压电陶瓷。这一系中是以铁电体铌酸钾和铌酸铅为 基础的。铌酸铅的介电常数低。在铌酸铅中用钡或锶替代一
部分铅，可引起性能的根本变化，从而得到具有较高机械品 质因素Qm的铌酸盐压电陶瓷。铌酸钾是通过热压过程制成的， 特点是适用于作10-40MHz的高频换能器。 ④ 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)。具有较高的压电系数(d33＝800900×10-12C／N )，在压力大至700kg/cm2时仍能继续工作， 可作为高温下的力传感器。
② 第二个下角注j＝1或2，3和 4，5，6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向作 用的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内(即yz平面、xz平面、xy平 面)作用的剪切力。
③ 单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自旋 转轴的正向看去使其I、II象限的对角线伸长。
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在垂直于x轴的表面 上产生的电荷密度 沿x轴方向作用的拉
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•特点： •Ⅰ 当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形 时，其表面上会产生电荷； •Ⅱ 若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态； •Ⅲ 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比； •Ⅳ 如对晶体施加一交流电压，晶体本身将产生机械变形，这 种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）
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➢天然结构的石英晶体（SiO2），它是个六角形晶柱。 ➢在直角坐标系中．
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产生压电效应的原因：（3）在z轴方向受力时 在z轴方向受力时，由于硅离子和氧离子是对称平移，故在表面 上没有电荷呈现，因而没有压电效应。
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压电常数和表面电荷的计算
压电元件在受到力作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。其计算公式如下
① 其中第一个角注i表示晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或 z铀)时，记作i＝1(或2或3)。
•概念：压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料
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压电晶体
① 石英。它是一种天然晶体，现在已有高化学 纯度和结构完善的人工合成的石英晶体，压 电系数d11＝2.31×10-12 C／N。在几百度的温 度范围内，压电系数不随温度而变。
② 水熔性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸 钾钠、酒石酸乙烯二铵(简称EDT)、酒石酸 二钾(简称DKT)，硫酸锂。
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压电陶瓷产生压电效应的原理
•极化前，晶粒内存在许多自发极化的电畴;自发极化作用相 互抵消，陶瓷内极化强度为0 •极化中，电畴自发极化方向转到与外加电场方向一致，压 电陶瓷具有一定极化强度 •极化后，各电畴的自发极化在一定程度上按原来外加电场 方向取向，存在剩余极化强度；极化两端出现束缚电荷
号就与前者正好相反。
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产生压电效应的原因：(2) y轴上受力 如果沿y轴方向上压缩，如图（c）所示，硅离子3和氧离子2以及 硅离子5和氧离子6都向内移动同一数值，故在电极C和D上仍不呈 现电荷，而由于相对把硅离子l和氧离子4向外挤，则在A和B表面 上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A和B上电荷符 号与前者相反。
③ 属于正方晶系的有磷酸二氢钾(简称KDP)、 磷酸二氢氨(简称ADP)、砷酸二氢钾(简称 KDA)、砷酸二氢氨(简称ADA)。
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压电陶瓷—人工制造的多晶体
① 钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷。具有比较高的压电系效(d33＝ 107×10 -12C／N)和介电常数，机械强度不及石英。
② 锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)．压电系数较高(d33 ＝(200-500)× -12C／N )，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小， 在锆钛酸铅的基方中添加一二种微量元素，如La、Nb、Sb、 Sn、Mn、W等，可以获得不同性能的PZT材料。
或压应力
在yz平面内作用的 剪切力
压电常数矩阵
沿z轴方向受力 作用时不存在 压电效应
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由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意义的石英晶体变形方式有： ① 厚度变形（简称为TE方式)，如图 (a)所示。——纵向压电效应 ② 长度变形(简称LE方式）。如图 (b)所示。——横向压电效应 ③ 面剪切变形(简称FS方式)。如图 (d)所示。 ④ 厚度的切变形(简称TS方式)。如图 (c)所示。 ⑤ 弯曲变形(简称BS方式)。——拉、压应力和剪切应力共同作用 ⑥ 体积变形(简称VE方式)。——针对压电陶瓷
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4.2 压电材料
• 选用压电材料应考虑以下几方面： ① 转换性能：具有较大的压电常数； ② 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高、刚度大、宽的
线性范围和高的固有振动频率； ③ 电性能；希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电
容的影响并获得良好的低频特性； ④ 温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温
晶体切片上电荷符号与受力方向的关系
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产生压电效应的原因：(1) x轴上受力 如果在x轴方向压缩，如图（b）所示，则硅离子1就挤入氧
离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5之间。结果在表
面A上呈现负电荷、而在表面B呈现正电荷。如果所受的力为 拉伸，则硅离子1和氧离子4向外移，在表面A和B上的电荷符
➢ z轴表示其纵向轴，称为光轴； ➢ x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴； ➢ y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。 ➢ 通常把沿电轴(x袖)方向的力作用下产生电荷的压电效应 称为“纵向压电效应”； ➢ 而把沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应 称为“横向压电效应”； ➢在光轴(z轴)方向受力时则不产生压电效应
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4.1 压电式传感器的工作原理 4.2 压电材料 4.3 压电式传感器的等效电路 4.4 压电式传感器的信号调节电路 4.5 压电式加速度传感器 4.6 压电式测力传感器
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4.1 压电式传感器的工作原理
压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。
•概念：当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生 变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新 回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压 电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石 英、钛酸钡、锆钛酸铅等
③ 铌酸盐系压电陶瓷。这一系中是以铁电体铌酸钾和铌酸铅为 基础的。铌酸铅的介电常数低。在铌酸铅中用钡或锶替代一
部分铅，可引起性能的根本变化，从而得到具有较高机械品 质因素Qm的铌酸盐压电陶瓷。铌酸钾是通过热压过程制成的， 特点是适用于作10-40MHz的高频换能器。 ④ 铌镁酸铅压电陶瓷(PMN)。具有较高的压电系数(d33＝800900×10-12C／N )，在压力大至700kg/cm2时仍能继续工作， 可作为高温下的力传感器。
② 第二个下角注j＝1或2，3和 4，5，6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向作 用的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内(即yz平面、xz平面、xy平 面)作用的剪切力。
③ 单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自旋 转轴的正向看去使其I、II象限的对角线伸长。
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在垂直于x轴的表面 上产生的电荷密度 沿x轴方向作用的拉
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•特点： •Ⅰ 当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形 时，其表面上会产生电荷； •Ⅱ 若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态； •Ⅲ 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比； •Ⅳ 如对晶体施加一交流电压，晶体本身将产生机械变形，这 种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）
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➢天然结构的石英晶体（SiO2），它是个六角形晶柱。 ➢在直角坐标系中．
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产生压电效应的原因：（3）在z轴方向受力时 在z轴方向受力时，由于硅离子和氧离子是对称平移，故在表面 上没有电荷呈现，因而没有压电效应。
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压电常数和表面电荷的计算
压电元件在受到力作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。其计算公式如下
① 其中第一个角注i表示晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或 z铀)时，记作i＝1(或2或3)。