第六章 压电传感器 《自动检测技术及应用(第2版)》课件
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传感器课件6章压电式传感器
在压力测量中的应用
总结词
压电式传感器在压力测量中具有高精度、低迟滞和抗干扰能力强的特点，适用于各种压力测量场合。
详细描述
压电式传感器利用压电材料的压电效应，将压力转换成电信号，通过测量电信号的大小来推算出压力 的大小。在压力测量中，压电式传感器广泛应用于气体、液体和蒸汽的压力测量，以及医疗、化工和 航空航天等领域的高精度压力测量。
03
压电式传感器的信号调理
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
前置放大器
前置放大器的作用
前置放大器是压电式传感器信号 调理中的重要环节，其主要作用 是将传感器输出的微弱信号放大 ，以便后续的信号处理和分析。
前置放大器的选择
在选择前置放大器时，需要考虑 放大器的增益、输入阻抗、输出 阻抗、带宽和噪声等参数，以确 保放大后的信号质量满足要求。
压力测量
由于压电式传感器能够检测微小的压 力变化，因此可以用于压力测量领域 ，如气瓶压力监测等。
生物医学应用
在生物医学领域，压电式传感器可用 于监测生理信号，如心电图、脑电图 等。
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
02
压电式传感器的结构和工作原理
压电材料的种类和特性
逆压电效应
当压电材料受到拉伸或扭曲时，同 样会在垂直于作用力方向的平面上 产生电荷，称为逆压电效应。
压电式传感器的特点
高灵敏度
由于压电材料的压电效应，压 电式传感器具有很高的灵敏度 ，能够检测微小的形变和压力
变化。
快速响应
压电式传感器的响应速度很快 ，能够在极短的时间内对压力 变化做出响应。
结构简单
《传感器技术》教学课件第6章
19
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 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。
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
15
上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效
应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
6
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 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。
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
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上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效
应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
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表6-1 常用压电材料的性能参数
8
6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
6
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
传感器技术-第6讲-压电磁敏传感器PPT
2．霍尔元件基本结构
霍尔元件的外形结构图，它由霍尔片、 4根引线和壳体组成，激励电极通常用红色 线，而霍尔电极通常用绿色或黄色线表示。
图3 霍尔元件
3．霍尔元件基本特性
（1）输入电阻和输出电阻
霍尔元件激励电极之间电阻为输入电 阻，霍尔电极输出电势对于电路外部来说 相当于一个电压源，其电源内阻即为输出 电阻。
（c）
P
i
H-
N 电流
图8 磁敏二极管的工作原理示意图
结论：随着磁场大小和方向的变化，可产生 正负输出电压的变化、特别是在较弱的磁场 作用下，可获得较大输出电压。若r区和r区 之外的复合能力之差越大，那么磁敏二极管 的灵敏度就越高。
磁敏二极管反向偏置时，则在 r区仅流 过很微小的电流，显得几乎与磁场无关。因 而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有 任何改变。
6.1.3 压电式传感器的应用
1 压电式测力传感器
组成：
主要由石英晶片、绝缘套、电极、上 盖和基座等组成。
2、原理
传感器的上盖为传力元件，当受到外 力作用时，它将产生弹性形变，将力传递 到石英晶片上，利用石英晶片的压电效应 实现力—电转换。绝缘套用于绝缘和定位。
它的测力范围是0～50N，最小分辨率 为0.01N，绝缘阻抗为 2 1014 ，固有频 率为50～60kHz。非线性误差小于±1%。 整个该传感器重为10g，可用于机床动态 切削力的测量。
ΔU/V
2.0
1.6 1.2
3．霍尔式接近开关
利用霍尔效应可以制成开关型传感器。 广泛应用于测转速、制作接近开关等。霍 尔式接近开关主要由霍尔元件、放大电路、 整形电路、输出驱动及稳压电路5部分组成。
由工作特性曲线可见，工作时具有一定的 磁滞特性，可以使开关更可靠工作。图中
传感器原理及应用压电式传感器.完美版PPT
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若从晶体上沿y方向切下一块晶片，当沿 电轴x方向施加应力时，晶片将产生厚度变形，
O
y
并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极
x
化强度与应力成正比。
在垂直于x轴晶面上产生的电荷量为
b
z
q1 1d1 1 Fx
x
y
d11—压电系数。下标的意义为产生电荷的 面的轴向及施加作用力的轴向；a、b、c—石
这些自由电荷与陶瓷片内的束缚 电荷符号相反而数量相等，屏蔽和抵消 了陶瓷片内极化强度对外界的作用。
电极
自由电荷
-----
＋＋＋＋＋
极化方向
- - - - - 束缚电荷
＋＋＋＋＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上 吸附的自由电荷示意图
因此，无外力或外场 作用时，极化处理后的压 电陶瓷也表现不出来对外 界的电场或应力。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、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，有一定的极化方向，从 而存在电场。
英晶片的长度、厚度和宽度。
c a
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理
z
3、石英晶体压电效应作用力与电荷关系
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
a q 12 d 12 b F y
压电式传感器传感器技术及应用课件
在航空航天中的应用案例
压电式传感器在航空航天领域中可以 用于测量飞行器的压力、振动等参数， 保障飞行器的安全性和稳定性。
VS
例如，在飞机发动机中，压电式传感 器可以监测涡轮的工作状态，控制发 动机的运转，提高飞机的安全性能。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
它们能够提供连续、准确的生理数据， 帮助医生及时了解患者的病情和做出 准确的诊断。
航空航天
01
在航空航天领域，压电式传感器 主要用于监测飞机的气动性能、 发动机工作状态以及航天器的空 间环境等。
02
它们能够提供高精度、高可靠性 的数据，帮助保证飞机的安全和 航天器的正常工作。
03 压电式传感器的设计与制 造
02 压电式传感器的应用领域
工业自动化
压电式传感器在工业自动化领域中广泛应用于测量和控制，如压力、位移、振动和 加速度等物理量的测量。
它们能够提供高精度、高可靠性的数据，帮助实现自动化生产线的精确控制和优化。
压电式传感器还可以用于工业安全系统中，例如检测机器的异常振动或压力变化， 以预防潜在的故障或事故。
制作工艺
采用陶瓷工艺、薄膜工艺等制作技术 ，将压电材料制成具有特定结构和性 能的元件。
压电式传感器的封装与测试
封装材料
选择合适的封装材料，如环氧树脂、陶瓷等，以保护压电元件免受环境的影响。
测试方法
对封装后的传感器进行性能测试，包括灵敏度、频率响应、温度稳定性等方面 的测试。
04 压电式传感器的校准与标 定
压电式传感器传感器技术及应用课 件
目录
• 压电式传感器技术概述 • 压电式传感器的应用领域 • 压电式传感器的设计与制造 • 压电式传感器的校准与标定 • 压电式传感器的发展趋势与展望 • 实际应用案例分析
《传感器技术》教学课件第6章
沿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， 其大小为
qx d11Fx
(6-2)
式中, d11为x方向受力的压电系数。
14
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则电荷仍 在与x轴垂直的平面上产生，其大小为
qy
d12
a b
Fy
(6-3)
式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11；
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
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表6-1 常用压电材料的性能参数
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6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
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石英晶体具有压电效应与内部分子结构有关。图6-3 是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，将 硅离子和氧离子在垂直于晶体z轴的xy平面上进行投影， 等效为一个正六边形排列。
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6-4（a）所示。
29
压电材料的压电特性可以用压电方程表示，其矩阵形式是： 定义压电系数矩阵D为：
30
压电系数矩阵D是正确选择压电元件、受力状态、变形方 式、能量转换率以及晶片几何切型的重要依据。石英晶体压电 系数矩阵可表示为
式中独立的压电系数是d11和d14；压电系数矩阵可表示为：
其中独立的压电系数是d33、d31和d15三个。
自动检测技术及应用ppt课件第6 压电传感器
－－－－－ ＋＋＋＋＋ 极化方向 束缚电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图
传感器及检测技术 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
通常把沿电轴X－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－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”， 沿光轴Z－Z方向受力则 不产生压电效应。
Z
Z
Y Y X
X
(a) (b)
石英晶体
(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系
传感器及检测技术
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。 组成石英晶体的硅离子Si4+ 和氧离子O2- 在Z平面投影， 如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b) 中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+ ，“－”代表 2O2-。
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长
(a)极化处理前 (b)极化处理中
剩余伸长 (c)极化处理后
传感器及检测技术
但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时 ，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶 瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即 在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷 。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一 层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束 缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片 内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片 内的极化程度，如图。 电极 自由电荷
－－－－－ 电极 ＋ ＋ ＋ ＋ ＋
陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附 的自由电荷示意图
传感器及检测技术 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F， 如图，陶瓷片将产生压缩形变（图中虚线），片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此， 原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出 现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是 一个膨胀过程)，片内的正、负电荷之间的距离变大， 极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而 出现充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由 机械能转变为电能的现象，就是正压电效应。
通常把沿电轴X－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－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”， 沿光轴Z－Z方向受力则 不产生压电效应。
Z
Z
Y Y X
X
(a) (b)
石英晶体
(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系
传感器及检测技术
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。 组成石英晶体的硅离子Si4+ 和氧离子O2- 在Z平面投影， 如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b) 中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+ ，“－”代表 2O2-。
直流电场E 剩余极化强度
电场作用下的伸长
(a)极化处理前 (b)极化处理中
剩余伸长 (c)极化处理后
传感器及检测技术
但是，当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时 ，却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度。这是因为陶 瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即 在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷 。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一 层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束 缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片 内极化强度对外界的作用。所以电压表不能测出陶瓷片 内的极化程度，如图。 电极 自由电荷
压电式传感器 ppt课件
• 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。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定，而且剩 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。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 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
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 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6.1.3（a）所示。
ppt课件
11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 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。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
ppt课件
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6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 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
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 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6.1.3（a）所示。
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6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 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。
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6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应
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受交变力时，产生交变电信号。
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
沿 y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带负电,下表面带正电
Q
d11
l
Fy
y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情 况。但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时的电 荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比 l/δ的倍数而 不同。
第六章 压电传感器
本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、 压电元件、等效电路、电荷放大器、压电 传感器的结构及应用，振动的基本概念、 振动传感器及振动频谱分析等。
一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受 到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电 荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压 电效应 。还有一些人造材料也具有压电效应。
2020/7/4
9
天然石英晶体的三个面
从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再 进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是 工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面分 别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴 （y轴）。
石英晶体切片的三个面（续）
在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面 产生电荷； 在x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生 电荷。
天然石英晶体外形
天然石英晶体外形（续）
天然石英晶体的结构及剖面
天然石英晶体的三个轴
在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵 向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。
经过正六面体棱
线，并垂直于光轴
的轴线称为电轴，
也称x轴；经过正六
面体的棱面且垂直
于光轴的轴线称为
机械轴，也称y轴。
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高温下相对介电常数的 温度特性
石英晶体的切片
石英晶体片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较
1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力
Fx时，在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx 式中 的 d11称为压电常数。 2.在y轴方向施加压力Fy时，仍然在x面上产生电 荷：
逆压电效应示意图
实线代表未施加激励电压的形变前的状态 虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变后的 状态。 在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出)。
鸣沙丘
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”
——鸣沙山上的逆压电效应
煤气灶上的点煤火气器灶压电点火器
有两种。一种为有源
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，
在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
压电元件的等效电路
交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra 。 极间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成
正比；漏电电阻Ra应大于1MΩ。
外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在 上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存 时间通常小于几秒,而且要求放大器的输入电阻Ri无 限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。
逆压电效应
如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压， 那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电 极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效 应”，也叫做“逆压电效应”。
l、δ、b分别为
石英晶片的长度、 厚度和高度。电 荷只产生在与x轴 垂直的x面的前后 两侧。
石英晶体的特性
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。 在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减 少0.016％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压 电特性，这就是它的居里点。
Q
d11
l
Fy
式中的 l、δ为石英 晶片的长度和厚度。
石英晶体 的压电效 应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变， 输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加 静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电 荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏， 并消失。
压电效应的微观分析
未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电
点火器，要依靠干电
池逆变电路产生高压
电火花；
另一种是利用压电陶瓷制成的。
使劲扭动打火按钮，“撞击块”敲
击多块串联的压电陶瓷，就能产生
高电压，形成电火花而点燃煤气。
压电陶瓷还可以制成电子打火机，
可使用100万次以上。
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压压电电陶陶瓷瓷变压变器压是器一块具有不同极化方向的压电陶
瓷，同时利用正压电效应和逆压电效应来产生高电压 的器件。两次能量转换为：中频电能激励→机械振动 能→中频高压电能。
若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介 质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应 （电致伸缩效应）。
石英晶体
石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有 3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧 离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光 轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无 外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与 氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个 晶胞不呈现带电现象。
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶体沿x面受压力时的带电情况分析
石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电 Q=d11Fx
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹 性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中 心分离, x面的上表面带负电,下表面带正电。
常用的是长条形单片Rosen型压电陶瓷变压器。压 电变压器的左半部上下两面有烧渗的银电极，作为电 压输入端，称为驱动部分;右半部分的端头烧渗银电极， 作为输出端，称为发电部分。当一个交变电压加到压 电变压器的输入端时，在输入端,沿厚度方向引起陶瓷 体的收缩与拉伸，这种应变沿长度方向传递，使压电 变压器沿长度方向产生连续的正弦波电压（正压电效 应），将机械能转换为电能。由于长度是厚度的几十28 倍，又由于纵驻波的加强效应，输出电压倍增。
沿 y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带正电,下表面带负电， 带电的方向与x面受压力时的情况相同
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电 荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶 格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产 生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
沿 y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带负电,下表面带正电
Q
d11
l
Fy
y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力的情 况。但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时的电 荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比 l/δ的倍数而 不同。
第六章 压电传感器
本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、 压电元件、等效电路、电荷放大器、压电 传感器的结构及应用，振动的基本概念、 振动传感器及振动频谱分析等。
一、压电效应
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受 到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电 荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压 电效应 。还有一些人造材料也具有压电效应。
2020/7/4
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天然石英晶体的三个面
从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片，再 进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就是 工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面分 别垂直于光轴（z轴）、电轴（x轴）和机械轴 （y轴）。
石英晶体切片的三个面（续）
在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表面 产生电荷； 在x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生 电荷。
天然石英晶体外形
天然石英晶体外形（续）
天然石英晶体的结构及剖面
天然石英晶体的三个轴
在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中纵 向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效应。
经过正六面体棱
线，并垂直于光轴
的轴线称为电轴，
也称x轴；经过正六
面体的棱面且垂直
于光轴的轴线称为
机械轴，也称y轴。
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高温下相对介电常数的 温度特性
石英晶体的切片
石英晶体片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较
1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力
Fx时，在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx 式中 的 d11称为压电常数。 2.在y轴方向施加压力Fy时，仍然在x面上产生电 荷：
逆压电效应示意图
实线代表未施加激励电压的形变前的状态 虚线代表在激励源的正半周，压电材料拉长形变后的 状态。 在激励源的负半周，压电材料压缩变形(未画出)。
鸣沙丘
清代诗人苏履吉赞颂鸣沙 “雷送余音声袅袅，风生细响语喁喁”
——鸣沙山上的逆压电效应
煤气灶上的点煤火气器灶压电点火器
有两种。一种为有源
交变外力作用在压电元件上，可以产生交变的电荷Q，
在上下镀银的表面上产生交变电压。
产生的交变电荷的变化频率与交变力的频率相同， 等效于交变电荷源。
压电元件的等效电路
交变电荷源两端并联一个极间电容Ca和漏电电阻Ra 。 极间电容Ca约为1000pF数量级，与压电片的面积成
正比；漏电电阻Ra应大于1MΩ。
外力作用在压电元件上，虽然可以产生电荷Q，但在 上下镀银电极之间总是存在泄漏电阻Ra，电荷的保存 时间通常小于几秒,而且要求放大器的输入电阻Ri无 限大,因此压电式传感器不能用于静态力的测量。
逆压电效应
如果在压电材料的两个电极面上施加交流电压， 那么压电片能产生机械振动。即：压电片在电 极方向上有伸缩的现象，称为“电致伸缩效 应”，也叫做“逆压电效应”。
l、δ、b分别为
石英晶片的长度、 厚度和高度。电 荷只产生在与x轴 垂直的x面的前后 两侧。
石英晶体的特性
石英（SiO2）是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。 在20～200℃范围内，温度每升高1℃，压电系数仅减 少0.016％。但是当到573℃时，它突然完全失去了压 电特性，这就是它的居里点。
Q
d11
l
Fy
式中的 l、δ为石英 晶片的长度和厚度。
石英晶体 的压电效 应演示
当力的方向改变时，电荷的极性随之改变， 输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加 静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电 荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏， 并消失。
压电效应的微观分析
未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电
点火器，要依靠干电
池逆变电路产生高压
电火花；
另一种是利用压电陶瓷制成的。
使劲扭动打火按钮，“撞击块”敲
击多块串联的压电陶瓷，就能产生
高电压，形成电火花而点燃煤气。
压电陶瓷还可以制成电子打火机，
可使用100万次以上。
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压压电电陶陶瓷瓷变压变器压是器一块具有不同极化方向的压电陶
瓷，同时利用正压电效应和逆压电效应来产生高电压 的器件。两次能量转换为：中频电能激励→机械振动 能→中频高压电能。
若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介 质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应 （电致伸缩效应）。
石英晶体
石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有 3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧 离子交替排列（氧离子是成对出现的）。沿光 轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在无 外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心与 氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个 晶胞不呈现带电现象。
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶体沿x面受压力时的带电情况分析
石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电 Q=d11Fx
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后，弹 性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷中 心分离, x面的上表面带负电,下表面带正电。
常用的是长条形单片Rosen型压电陶瓷变压器。压 电变压器的左半部上下两面有烧渗的银电极，作为电 压输入端，称为驱动部分;右半部分的端头烧渗银电极， 作为输出端，称为发电部分。当一个交变电压加到压 电变压器的输入端时，在输入端,沿厚度方向引起陶瓷 体的收缩与拉伸，这种应变沿长度方向传递，使压电 变压器沿长度方向产生连续的正弦波电压（正压电效 应），将机械能转换为电能。由于长度是厚度的几十28 倍，又由于纵驻波的加强效应，输出电压倍增。
沿 y面受拉力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带正电,下表面带负电， 带电的方向与x面受压力时的情况相同
无论是沿x轴方向施加力，还是沿y轴方向施加力，电 荷只产生在x面上。光轴（z轴）方向受力时，由于晶 格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产 生压电效应。
对压电元件施加交变力，产生交变电荷