压电式传感器介绍、特点及应用

5.1 压电效应及压电材料
压电材料的主要特性参数有：
（1） 压电常数：压电常数是衡量材料压电效应强弱
（2） 弹性常数：压电材料的弹性常数、 刚度决定着 压电器件的固有频率和动态特性。
（3） 介电常数：对于一定形状、尺寸的压电元件， 其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着 压电传感器的频率下限。 (4） 机械耦合系数：在压电效应中，其值等于转换
5.1 压电效应及压电材料
若从晶体上沿y方向切下一块如下图所示晶片，当
在电轴方向施加作用力F x 时，在与电轴x垂直的平 面上将产生电荷Qx，其大小为
式中：
Qx d11Fx
d 1 1 ——x方向受力的压电系数； F x ——作用力。
5.1 压电效应及压电材料
输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根； 它是衡量压电材料机电能量转 换效率的一个重要参数。 （5）电阻压电材料的绝缘电阻：将减少电荷泄 漏，从而改善压电传感器的低频特性。 （6） 居里点：压电材料开始丧失压电特性的温 度称为居里点。
5.1.1 石英晶体
压电式传感器介绍、 特点及应用
1 5.1 压电效应及压电材料 2 5.2 压电式传感器的等效电路 3 5.3 压电式传感器的测量电路 4 5.4 压电式传感器的
概述
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，是典型的有源传感器。 当某些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、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。
F
F
＋＋＋＋＋＋ －－－－－－
F
－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋
F
正（顺）压电效应示意图
反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材
料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电
场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转
化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效
电能
应”。 逆压电效应
(P1 +P2 +P3) x<0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P3)z =0
Fx +
+ +
+ +
-
+
P1 P3
- P2 +
F- x -x -
(c) Fx>0
在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。
可见，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。
别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈
现电性。通常把沿电轴(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”，沿光轴(Z轴) 方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时， 则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电 效应。
石英晶体产生压电效应的微观机理
石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。 图５-2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。 图中“＋”代表硅离子Si4+， “－”代 表氧离子O2-。
y
y
-
+
x +
x -
-
+
(a)
(b)
图5-2 硅氧离子的排列示意图
(a) Fx=0
所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。Biblioteka Baidu
当晶体受到沿x方向的压力（F x < 0）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，
如图5-3（b）所示。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:
y
(P1+P2+P3)x>0
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。 如图5-3（a）所示。
y
因为P = qL（q为电荷量，L为
-+
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 P3 - x
P2 -+
P1+P2+P3＝0
如图所示为天然石 英晶体，其结构形状 为一个六角形晶柱， 两端为一对称棱锥。
在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，
其中，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。
如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分
晶体在y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx 相似。当Fy ＞0时，晶体的形变与图5-3（b）相似；当Fy ＜0时， 则与图5-3（c）相似。由此可见，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。
Fx - - + + Fx
在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0
- + P1 P3 - + x
-
P2
+
- - ++
(b) Fx<0
当晶体受到沿x方向的拉力（Fx ＞0）作用时，其变化情
况如图5-3（c）所示。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 y
机械能
正压电效应
图5-1 压电效应的可逆性
5.1 压电效应及压电材料
石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优 良的压电材料。
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。
他们都具有较大的压电常数，机械性能良好， 时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是 较理想的压电材料。
5.1 压电效应及压电材料
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”。