横向压电效应
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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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•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 如对晶体施加一负变电场，晶体本身将产生机械变形，这 种现象称为逆压电效应
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➢天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。 ➢在直角坐标系中．
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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、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
第4章 压电式力学量传感器
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目录
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
➢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
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 温度系范数围d11内＝，2．压3电1×系1数0-不12C随／温N度．而在变几。百度的
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)，硫酸理
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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7—4(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7—4(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 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。
③ 属于正方晶系的有磷酸二氢钾(简称KDP)， 磷酸二氢氨(N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
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 ＝ (200500)× -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。
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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，由于硅离和氧 离于是对称平移、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袖(y轴 或z铀)时，记作i＝1(或2或3)。
• 由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意ຫໍສະໝຸດ Baidu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。 ② 长度变形(简称LE方式）。如图 (b)所示， 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)。 ⑥ 体积变形(简称VE方式)。
束缚电荷之间距离变小，束缚电荷之间距离变 小，电畴发生偏转，极化强度也变小，因此， 原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分被释 放而出现放电现象。
② 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、
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压电陶瓷产生压电效应的原理
•极化前，存在许多自发极化的电畴 •极化中，电畴自发极化方向转到与 外加电场方向一致 •极化后，有剩余极化强度
•问题: •未受压前，为何不显示带电特性？ •受压后，为何显示带电特性？
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机理
① 如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的 外力，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负
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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•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 如对晶体施加一负变电场，晶体本身将产生机械变形，这 种现象称为逆压电效应
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➢天然结构的石英晶体，它是个六角形晶柱。 ➢在直角坐标系中．
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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、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
第4章 压电式力学量传感器
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目录
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
➢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
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 温度系范数围d11内＝，2．压3电1×系1数0-不12C随／温N度．而在变几。百度的
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)，硫酸理
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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7—4(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7—4(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 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。
③ 属于正方晶系的有磷酸二氢钾(简称KDP)， 磷酸二氢氨(N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
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 ＝ (200500)× -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。
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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，由于硅离和氧 离于是对称平移、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袖(y轴 或z铀)时，记作i＝1(或2或3)。
• 由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意ຫໍສະໝຸດ Baidu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。 ② 长度变形(简称LE方式）。如图 (b)所示， 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)。 ⑥ 体积变形(简称VE方式)。
束缚电荷之间距离变小，束缚电荷之间距离变 小，电畴发生偏转，极化强度也变小，因此， 原来吸附在极板上的自由电荷，有一部分被释 放而出现放电现象。
② 当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、
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压电陶瓷产生压电效应的原理
•极化前，存在许多自发极化的电畴 •极化中，电畴自发极化方向转到与 外加电场方向一致 •极化后，有剩余极化强度
•问题: •未受压前，为何不显示带电特性？ •受压后，为何显示带电特性？
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机理
① 如果在压电陶瓷片上加一个与极化方向平行的 外力，陶瓷片将产生压缩变形，片内的正、负