压电陶瓷的压电系数
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第5章 压电式传感器
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第一节 压电效应 第二节 压电材料 第三节 压电式传感器的测量电路 第四节 压电式传感器应用
3
4
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。
Qy d12 Fy
未受外力作用时,石英晶体正、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，电偶极矩为 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,正 负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量 仍为零, 不出现电荷. 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴 正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。 如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全 相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方 向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。
Q d33 F
压电材料
上式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数； F ——作用力。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度 较高。但极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极 化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间 变化，从而使其压电特性减弱。
压电材料
◆最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它 是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成 的。它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较 低，最高只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如 石英。 ◆目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系 列），它有较高的压电系数和较高的工作温度。 ◆铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。具 有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受 较高的压力。 常用压电材料的性能见书中表5-1。
通常把沿电轴x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y方向的作用下产生电荷的压电效 应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方 向受力时不产生压电效应。
压电材料
若从晶体上沿y方向切下一块如图5-2（c）所示晶 片，当在电轴方向施加作用力Fx 时，在与电轴x垂 直的平面上将产生电荷Qx，其大小为
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。
压电材料
压电材料可以分为两大类
压电晶体——晶体 压电陶瓷——极化处理的多晶体
石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优 良的压电材料
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，是较理想的压电材 料。
压电材料
一、石英晶体
石英晶体化学式为SiO2（二氧化硅），是单晶体结构 它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、 固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压 电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳 定性好。
式中： d11——x方向受力的压电系数； Fx ——作用力。 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：
Hale Waihona Puke Baidu
Qx d11 Fx
压电材料
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力 ， 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy，其大小为：
式中： d ——y轴方向受力的压电系数， d12 d11 12 a、b——晶体切片长度和厚度。 电荷Qx和Qy的符号由所受力的性质决定。
压电材料
二、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外 电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极 化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零， 因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转 动，从而使材料得到极化。让外电场强度大到使 材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方 向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后， 电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大， 这时的材料才具有压电特性。如图5-4。
压电效应
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使 它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它 的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力 去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现 象称压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为 “正压电效应”。相反，当在电介质极化方向 施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现 象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
压电材料
（a）未极化 （b）电极化 图5-4 压电陶瓷的极化
当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电 畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂 直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因 受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变 为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的 大小与外力成正比关系：
压电材料
（a ）
（ b） 图5-2 石英晶体
（c ）
天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面 体。石英晶体各个方向的特性是不同的
压电材料
天然结构定义
x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电 效应最强。称为电轴。 y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大， 称为机械轴。 z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料 能实现机—电能量的相互转换，如图5-1所示。
机 械 量
压电元件
电 量
图5-1 压电效应可逆性
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 的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。 （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
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第一节 压电效应 第二节 压电材料 第三节 压电式传感器的测量电路 第四节 压电式传感器应用
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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。
Qy d12 Fy
未受外力作用时,石英晶体正、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，电偶极矩为 0, 所以晶体表面不产生电荷, 即呈中性。 当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时, 晶体沿x方向将产生压缩变形,正 负电荷重心不再重合,在x轴的正方向出现正电荷, 电偶极矩在y方向上的分量 仍为零, 不出现电荷. 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,在x轴上出现电荷, 它的极性为x轴 正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。 如果沿z轴方向施加作用力, 因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全 相同, 所以正负电荷重心保持重合, 电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方 向施加作用力, 晶体不会产生压电效应。
Q d33 F
压电材料
上式中： d33—— 压电陶瓷的压电系数； F ——作用力。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度 较高。但极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极 化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间 变化，从而使其压电特性减弱。
压电材料
◆最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它 是由碳酸钡和二氧化钛按一定比例混合后烧结而成 的。它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较 低，最高只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如 石英。 ◆目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（PZT系 列），它有较高的压电系数和较高的工作温度。 ◆铌镁酸铅是20世纪60年代发展起来的压电陶瓷。具 有极高的压电系数和较高的工作温度，而且能承受 较高的压力。 常用压电材料的性能见书中表5-1。
通常把沿电轴x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y方向的作用下产生电荷的压电效 应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方 向受力时不产生压电效应。
压电材料
若从晶体上沿y方向切下一块如图5-2（c）所示晶 片，当在电轴方向施加作用力Fx 时，在与电轴x垂 直的平面上将产生电荷Qx，其大小为
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。
压电材料
压电材料可以分为两大类
压电晶体——晶体 压电陶瓷——极化处理的多晶体
石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优 良的压电材料
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，是较理想的压电材 料。
压电材料
一、石英晶体
石英晶体化学式为SiO2（二氧化硅），是单晶体结构 它的转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、 固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压 电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳 定性好。
式中： d11——x方向受力的压电系数； Fx ——作用力。 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：
Hale Waihona Puke Baidu
Qx d11 Fx
压电材料
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力 ， 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷Qy，其大小为：
式中： d ——y轴方向受力的压电系数， d12 d11 12 a、b——晶体切片长度和厚度。 电荷Qx和Qy的符号由所受力的性质决定。
压电材料
二、压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外 电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们的极 化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零， 因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转 动，从而使材料得到极化。让外电场强度大到使 材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方 向都整齐地与外电场方向一致时，外电场去掉后， 电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大， 这时的材料才具有压电特性。如图5-4。
压电效应
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使 它变形时，其内部就产生极化现象，同时在它 的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力 去掉后，其又重新恢复到不带电状态，这种现 象称压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为 “正压电效应”。相反，当在电介质极化方向 施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现 象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。
压电材料
（a）未极化 （b）电极化 图5-4 压电陶瓷的极化
当陶瓷材料受到外力作用时，电畴的界限发生移动，电 畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在垂 直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因 受力而产生的由机械效应转变为电效应，将机械能转变 为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量的 大小与外力成正比关系：
压电材料
（a ）
（ b） 图5-2 石英晶体
（c ）
天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面 体。石英晶体各个方向的特性是不同的
压电材料
天然结构定义
x：两平行柱面内夹角等分线，垂直此轴压电 效应最强。称为电轴。 y ：垂直于平行柱面，在电场作用下变形最大， 称为机械轴。 z ：无压电效应，中心轴，也称光轴。
具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料 能实现机—电能量的相互转换，如图5-1所示。
机 械 量
压电元件
电 量
图5-1 压电效应可逆性
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 的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。 （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