第7章 压电式传感器

第7章压电式传感器（2学时）本章主要内容

7.1 压电式传感器的基本原理

7.2 压电式传感器的测量转换电路

7.3 压电式传感器的应用

教学要求及重点、难点

一. 教学要求

1. 了解压电式传感器基本原理，

2. 熟悉压电式传感器的测量转换电路

3. 了解压电式传感器的应用

二. 重点、难点

压电式传感器的测量转换电路

概述

压电式传感器是利用某些电介质材料(如石英晶体)具有压电效应现象制成的。有些电介质材料在一定方向上受到外力(压力或拉力)作用而变形时，在其表面上产生电荷从而可以实现对非电量的检测。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽等特点，适用于对各种动态力、机械冲击与振动的测量，广泛应用在力学、声学、医学、宇航等方面。

压电式传感器是一种无源传感器，大多数是利用正向压电效应制成的。外力去掉后，又回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为正向压电效应，简称压电效应。当然这种电介质材料也具有逆压电效应，即在相应表面上施加电压后，电介质材料会发生机械变形；去掉电压后，变形立即消失，它将电能转换成机械能。逆压电效应也称电致伸缩效应。

7.1 压电式传感器的基本原理

一. 压电效应与压电材料

1. 压电效应

某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。

压电效应分为正向压电效应和逆向压电效应。某些电介质，当沿着一定方向对其施加外力而使它变形时，内部就产生极化现象，相应地会在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新

恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。

当外力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种将机械能转换为电能的现象，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一定的机械变形或机械应力，这种现象称为逆向压电效应，也称为电致伸缩效应。

图6.1所示压电元件受力变形后的几种基本形式。

2. 压电材料：

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，具有一定的可逆性，如图4.71 所示。压电材料可以分为三类：压电（石英）晶体、压电陶瓷和高分子压电材料。

压电材料常用晶体材料，但自然界中多数晶体压电效应非常微弱，很难满足实际检测的需要，因而没有实用价值。目前能够广泛使用的

压电材料只有石英晶体和人工制造的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅等材料，这些材料都具有良好的压电效应。

3. 压电材料的主要特性指标

压电材料是压电式传感器的敏感材料，主要特性参数有：

（1）压电系数dmn；（2）机械性能（刚度H）；（3）电性能（介电常数ε和电阻率）；（4）；（5）居里点。

①压电系数dmn：它是衡量材料压电效应强弱的参数，一般应具有较大的压电系数。m表示产生电荷面的轴向，n表示施加作用力的轴向。

②机械性能（刚度H）：作为受力元件，通常希望其具有较高的机械强度和较大的刚度，以获得较宽的线性范围和较大的固有频率。

③电性能：良好的压电材料应该具有大的介电常数和较高的电阻率，以减小电荷的泄漏，从而获得良好的低频特性。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：是指在压电效应中，转换输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根，这是衡量压电材料机-电能量转换效率的一个重要参数。

⑤居里点温度：最大安全温度，它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。

⑥时间稳定性：压电特性不应随时间蜕变。

二．工作原理

压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的正向压电效应制成。石英晶体是最常用晶体之一，现以石英晶体为例。

1. 石英晶体压电效应

石英晶体是典型的压电晶体，化学式为SiO2，为单晶体结构。图

4.72(a)所示的是天然结构的石英晶体外形示意图。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的(各向异性体)，可以用三个相互垂直的轴来表示，其中纵向轴z 称为光轴(或称为中性轴)，经过六面体棱线并垂直于光轴的x 称为电轴，与x 和z 轴同时垂直的轴y 称为机械轴。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，而把沿机械轴y 方向的力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 方向的力作用时不产生压电效应。

若从晶体上沿y 方向切下一块如图4.72(c)所示的晶片，

当沿电轴X 方向施加作用力F x 时，则在与电轴x 垂直的平面上将产生电荷，其大小为: q x =d 11 F x

式中d 11——x 方向受力的压电系数。

若在同一切片上，当沿机械轴y 方向施加作用力F y ，则仍在与x 轴垂直的平面上产生电荷q y ，其大小为: y y F b

a d q 12 由此可见，沿机械轴y 方向施加作用力时，产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。

式中d 12—y 轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性，有d 12=-d 11；a 、b —晶体切片的长度和厚度，如图4.72(c)所示。

电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定，如图6.3所示。

2 压电陶瓷的压电效应

压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴（电偶极矩），它有一定的极化方向，从而存在电场。在无外电场作用时，电畴在晶体中是杂乱分布的，各电畴的极化效应相互抵消，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，如图4.74(a)所示。加直流电场后，使极性转到接近电场的方向，当电场去掉后，电畴的极化方向基本保持不变。如图4.74(b)。