4-2压电传感器
压电式传感器工作原理
压电式传感器工作原理压电式传感器是一种将压电效应应用于传感器中的设备，它可以将压力、力、加速度、温度等物理量转换为电信号。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷，这种效应被应用在压电式传感器中，使其能够实现物理量到电信号的转换。
本文将介绍压电式传感器的工作原理及其应用。
1. 压电效应压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生电荷的现象。
这种效应最早是由法国物理学家居里夫妇在1880年发现的，他们发现某些晶体在受到机械应力时会产生电荷，这种现象被称为正压电效应。
此外，这些晶体在受到电场作用时也会发生形变，这种现象被称为逆压电效应。
这两种效应被应用在压电式传感器中，使其能够实现物理量到电信号的转换。
2. 压电式传感器的结构压电式传感器通常由压电陶瓷、电极、外壳和连接线组成。
压电陶瓷是压电式传感器的核心部件，它是由压电晶体制成的，具有压电效应。
电极用于接收压电陶瓷产生的电荷，并将其转换为电信号。
外壳用于保护压电陶瓷和电极，连接线用于将电信号传输到外部设备。
3. 压电式传感器的工作原理当压电式传感器受到压力、力、加速度或温度等物理量的作用时，压电陶瓷会产生电荷。
这些电荷会被电极接收，并转换为电信号。
这个电信号可以是电压、电流或电荷量，其大小与作用在传感器上的物理量成正比。
通过测量电信号的大小，就可以确定作用在传感器上的物理量的大小。
4. 压电式传感器的应用压电式传感器具有灵敏度高、频率响应快、稳定性好等优点，因此被广泛应用于工业自动化、汽车电子、医疗设备、航空航天等领域。
例如，在工业自动化中，压电式传感器可以用于测量压力、力等物理量，用于控制和监测生产过程。
在汽车电子中，压电式传感器可以用于测量发动机的振动和噪声，用于改善车辆的驾驶舒适性。
在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量血压、心率等生理参数，用于诊断和治疗疾病。
在航空航天中，压电式传感器可以用于测量飞机的结构应力和振动，用于确保飞行安全。
压电式压力传感器原理特点及应用
压电式压力传感器原理特点及应用压电效应是压电材料受到外力时会产生电荷的现象。
压电材料具有这种特性的原因是在材料内部存在着一种称为压电效应的耦合效应，即机械能与电能之间的相互转换。
当外力作用在压电材料上时，会导致材料内部的正负离子产生位移，形成电偶极矩，从而产生电荷。
该电荷可以通过导线或电极传递到外部电路中，产生电压信号。
根据压电效应的特性，压电材料通常是通过连接传感器的终端来感受外部力或压力的变化。
1.高灵敏度：压电材料的压电系数比较大，对外界力或压力的变化非常敏感，能够很好地转换为电信号输出。
2.宽测量范围：压电式压力传感器的测量范围通常为几千帕到几百兆帕，能够满足不同应用场景的需求。
3.稳定性好：压电材料的压电效应相对稳定，且传感器无需额外的温度、湿度校正，不易受外界条件的干扰。
4.快速响应：由于压电材料具有较低的惯性和刚性，能够在短时间内响应外部力或压力变化。
1.工业自动化控制：压电式压力传感器可以用于工业自动化控制系统中，用于监测压力值，如液体或气体管道的压力、机械设备的载荷等。
2.汽车工程：压电式压力传感器广泛应用于汽车工程领域，如发动机进气管压力、轮胎压力、刹车系统压力等的检测。
3.生物医学领域：压电式压力传感器可用于测量人体血压、血氧饱和度、心脏健康状态等，用于临床监测和医疗设备。
4.航天航空领域：压电式压力传感器应用于航天器的气压监测、飞机的液压系统监测等，对于保证飞行安全起到重要作用。
5.环境监测：压电式压力传感器用于测量大气压力、水深、土壤压力等环境参数的监测，可用于气象、水利、地质等领域。
总之，压电式压力传感器以其高灵敏度、快速响应、稳定性好等特点，在多个领域中得到广泛的应用，为实时监测和控制提供了重要的技术支持。
压电式传感器的应用
F
石石石石
上上
绝绝绝
压电
基基
图1 压力式单向测力传感器结构图
压电式传感器的应用 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为 0.1~0.5mm， 外力作用使它产生弹性变形 ， 将力传 mm ， 外力作用使它产生弹性变形， 递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 递到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其纵向 xy切型 实现力—电转换。 压电效应， 压电效应， 通过d11实现力—电转换。
压电陶瓷圆环 铝头
压电式传感器的应用 当一定频率的声频信号加在换能器上时，换能器上的 当一定频率的声频信号加在换能器上时， 压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形，由于压电 压电陶瓷片受到外力作用而产生压缩变形， 陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象， 陶瓷的正压电效应，压电陶瓷上将出现充、放电现象， 即将声频信号转换成了交变电信号。这时的声传感器 即将声频信号转换成了交变电信号。 就是声频信号接收器。 就是声频信号接收器。 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围，则 如果换能器中压电陶瓷的振荡频率在超声波范围， 其发射或接收的声频信号即为超声波， 其发射或接收的声频信号即为超声波，这样的换能器 称为压电超声换能器 称为压电超声换能器。 压电超声换能器。
信号发生器 游标卡尺 图5 超声速测量实验装置
压电式传感器的应用 当信号发生器产生的正弦交流信号加在压电陶瓷片两端 面时，压电陶瓷片将产生机械振动， 面时，压电陶瓷片将产生机械振动，在空气中激发出声 波。所以，换能器S1是声频信号发生器。 所以，换能器 是声频信号发生器。 当S发出的声波信号经过空气传播到达换能器 2时，空 发出的声波信号经过空气传播到达换能器S 发出的声波信号经过空气传播到达换能器 气振动产生的压力作用在S 气振动产生的压力作用在 2的压电陶瓷片上使之出现 充、放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。 放电现象，在示波器上就能检测出该交变信号。 所以，换能器 是声频信号接收器。 所以，换能器S2是声频信号接收器。
压电式传感器的原理及应用
压电式传感器的原理及应用压电式传感器是一种应用了压电效应的传感器，通过将压电材料置于受力区域，当被测物体发生变形或受力时，压电材料发生形变，从而产生电荷信号，利用该信号来测量被测量的变化情况。
一、压电效应的原理压电效应是一种物理现象，指在压力或拉伸下，某些晶体（通常是晶体的极性方向）会产生电位差。
这种效应被广泛应用于各种传感器中，特别是在加速度计、其它惯性传感器、压力传感器和液位传感器等方面。
二、压电式传感器的原理压电式传感器通常由压电晶体和测量电路组成。
当被测物体发生形变或受力时，压电材料中的极性方向的晶体产生压电效应，导致产生电荷的位移，并与电荷电容匹配的放大器或其他电路连接。
由于被测量的变化（压力，成形，位移等）与电荷位移之间存在特定关系，所以可以根据电荷电荷读数来确定被测物体发生变化的精确程度。
三、压电式传感器的应用由于压电效应具有高灵敏度、高频响应、耐腐蚀、抗干扰等优点，压电式传感器在各种领域得到广泛应用。
1.压力测量：压电式传感器常用于压力传感器的制造，用于测量汽车轮胎、气缸、油压和空气压力等。
2.振动测量：压电式传感器还可以用于测量机器和车辆的振动水平，以便定位有问题的部件。
3.流量测量：压电式传感器在流量测量中应用广泛，例如在医疗方面测量血流，工业方面可以应用于计算液体的流量。
4.力学测试：压电式传感器的高灵敏度和高频响应特性，在体育、自然科学和工程学中用于测量冲击、震动和变形等量。
5.地震观测：压电式传感器还可以用于地震观测，以便在监测过程中测量地震的振动率。
压电式传感器在上述应用领域中具有重要作用，并与其他类型的传感器如压阻式传感器、光电式传感器、磁性传感器等合作，实现了各种领域的数据测量工作，体现了良好的应用前景。
传感器课件-压电式传感器与超声波传感器
（ 3 ） 铌 镁 酸 铅 Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3 压 电 陶 瓷 （PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能 继续工作，可作为高温下的力传感器。
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18
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20
1. 压电元件的等效电路
压电传感器在受外力作用时，在两个电极 表面将要聚集电荷，且电荷量相等，极性相 反。这时它相当于一个以压电材料为电介质 的电容器，其电容量为
Ca
r0S
ε0为真空介电常数；ε为压电材料的相对介电常数； δ为压电元件的厚度；S为压电元件极板面积。
21
Ca
s
h
r0s
h
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U Q Ca
22
压电式传感器的等效电路
(a)等效为一个电荷源Q与一个电容Ca并联的电路 (b) 等效成一个电源U = Q/Ca 和一个电容Ca的串联电路
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23
两个压电片的联结方式
（a） “并联”，Q’=2Q，U’=U，C’=2C 并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大， 适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的地方， （b） “串联” Q’=Q，U’=2U，C’=C/2 而串联接法输出电压大，本身电容小。 适宜用于以电压作输出信号，且测量电路输入阻抗很高的地方。
（1+K）Cf>>（Ca+Cc+Ci）
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电荷放大器能将压电传感器输出的电荷
转换为电压（Q/U转换器），但并无放大 电荷的作用，只是一种习惯叫法。
压电式传感器的应用和原理
压电式传感器的应用和原理应用领域压电式传感器是一种广泛应用于各个领域的传感器，主要包括以下几个方面的应用：1.工业自动化：在工业自动化领域中，压电式传感器常被用于测量力、压力、力矩等参数，可以实时监测设备的工作状态，保证生产过程的稳定性和安全性。
2.汽车工业：在汽车工业中，压电式传感器被广泛应用于发动机控制、刹车系统、悬挂系统等方面，可以实时监测汽车的各项参数，提高行驶安全性和驾驶舒适性。
3.医疗设备：在医疗设备中，压电式传感器可以用于测量心率、呼吸、体温等生命体征参数，用于疾病诊断、治疗和康复监测，为医疗工作者提供精准的数据支持。
4.空气质量监测：压电式传感器可以用于监测空气质量，检测并记录大气中的各种有害气体，为改善环境质量提供客观数据。
5.智能穿戴设备：压电式传感器适用于智能手环、智能手表等穿戴式设备中，可以实时监测心率、睡眠质量、运动步数等健康指标，为用户提供全面的健康数据。
工作原理压电式传感器的工作原理基于压电效应，压电效应是指某些特定的材料在受到机械应力作用时，会产生正比于应力大小的电荷。
压电式传感器通常由一个或多个压电晶体组成，压电晶体一般为陶瓷材料，具有压电效应。
当外部施加压力或力矩时，压电晶体发生微小的尺寸变化，导致晶格结构的变化，从而产生极性的电荷。
这种电荷的变化可以通过电路进行测量和记录。
压电式传感器通常由以下几个主要组件构成：1.压电晶体：负责将机械应力转换为电荷信号，并根据机械应力的大小和方向产生相应的电荷。
2.支撑结构：提供对压电晶体的支持和保护，使其能够承受外部应力并稳定工作。
3.信号调理电路：负责将压电传感器输出的微弱信号放大和处理，以便能够进行准确的测量和记录。
压电式传感器的工作原理可以用以下步骤总结：1.压电晶体受到外部力或压力作用，发生微小的尺寸变化。
2.压电晶体的晶格结构发生相应的变化，产生极性的电荷。
3.电荷被信号调理电路检测和放大。
4.信号被记录或用于控制其他设备。
四种压力传感器的基本工作原理及特点
四种压力传感器的基本工作原理及特点四种压力传感器的基本工作原理及特点一：电阻应变式传感器一：电阻应变式传感器1 1电阻应变式传感器定义被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，被测的动态压力作用在弹性敏感元件上，使它产生变形，使它产生变形，在其变形的部位粘贴有电阻应变片，电阻应变片感受动态压力的变化，电阻应变片感受动态压力的变化，按这种原理设计的传感器称按这种原理设计的传感器称为电阻应变式压力传感器。
为电阻应变式压力传感器。
1.2 电阻应变式传感器的工作原理电阻应变式传感器所粘贴的金属电阻应变片主要有丝式应变片与箔式应变片。
箔式应变片是以厚度为0.002——0.008mm 的金属箔片作为敏感栅材料，，箔栅宽度为0.003——0.008mm 。
丝式应变片是由一根具有高电阻系数的电阻丝(直径0．015--0．05mm)，平行地排成栅形(一般2——40条)，电阻值60——200 Ω，通常为120 Ω，牢贴在薄纸片上，电阻纸两端焊有引出线，表面覆一层薄纸，即制成了纸基的电阻丝式应变片。
制成了纸基的电阻丝式应变片。
测量时，测量时，用特制的胶水将金属电阻应变片粘贴于待测的弹性敏感元件表面上，待测的弹性敏感元件表面上，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，弹性敏感元件随着动态压力而产生变形时，电阻片电阻片也跟随变形。
如下图所示。
B 为栅宽，L 为基长。
为基长。
材料的电阻变化率由下式决定：材料的电阻变化率由下式决定：d d d R A R A r r=+ （1） 式中；式中；R —材料电阻由材料力学知识得；由材料力学知识得； [(12)(12)]dRR C K m m e e =++-= (2) K —金属电阻应变片的敏感度系数式中K 对于确定购金属材料在一定的范围内为一常数，将微分dR 、dL 改写成增量ΔR 、ΔL,可得可得 R L K K R Le D D == (3) 由式(2)可知，可知，当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形当弹性敏感元件受到动态压力作用后随之产生相应的变形ε,而形应变值可由丝式应变片或箔式应变片测出，从而得到了ΔR 的变化，也就得到了动态压力的变化，基于这种应变效应的原理实现了动态压力的测量。
压电式传感器技术原理
压电式传感器技术原理压电传感器是一种可以将机械振动或压力转化成电信号的传感器。
压电原理是指一些特殊的晶体或陶瓷材料，在受到力的作用下会产生电荷或电势差的现象。
这些材料受到力的作用时，晶格结构会发生微小的变形或振动，从而激发内部的电气极化。
压电传感器的工作原理可以归纳为以下几个步骤：1.压电材料选择：通常采用晶体或陶瓷材料作为压电材料，如石英、硼酸锂等。
这些材料具有良好的压电效应和机械性能。
2.构造传感器：将压电材料制成适当形状的器件，常见的形式有片状、圆柱状和球状等。
传感器通常由两个电极和一个压电材料构成。
3.加载压电材料：当外部施加压力或振动时，压电材料发生机械变形。
这个变形可以是线性的压缩、拉伸、扭曲或振动。
4.电荷生成：机械变形引起压电材料内部正负电荷分离，产生一个电势差。
这个电势差可以通过外部电路导出。
5.电信号转换：将产生的电势差转换成电信号。
一种常见的方法是通过内部电荷放大器，将微弱的电势差放大成可读取的电信号。
压电传感器在实际应用中具有广泛的用途，例如：1.声音传感器：将声波振动转换成电信号，常用于麦克风、扬声器等声音设备。
2.压力传感器：将压力变化转换成电信号，被广泛应用于工业监测、汽车安全系统、医疗仪器等领域。
3.加速度传感器：测量物体的加速度和振动，广泛应用于汽车安全、航空航天等领域。
4.温度传感器：利用压电材料的热敏特性，将温度变化转换成电信号，用于温度测量和控制。
在未来，随着科技的发展，压电传感器将进一步得到改进和应用。
例如，研究人员正在开发更小、更灵敏的压电材料，以及更高效的电信号转换技术。
这将使压电传感器在更广泛的领域中发挥作用，如生物医学、能源管理、智能家居等。
总之，压电式传感器是一种基于压电效应的传感器，能够将机械振动和压力转换成电信号。
其工作原理简单而有效，适用于多种应用领域。
未来，预计压电传感器将继续发展，并在各种领域中发挥重要作用。
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压电陶瓷的极化处理
a）极化处理前电畴杂乱分布 b）在极化电压下的电畴分布 c）冷却、稳定后的电畴分布 1－镀银上电极 2－压电陶瓷 3－镀银下电极 4－电畴 5－极化高压电源 ↑－细微的电畴极化方向
压电陶瓷极化的影响因素
极化电场和极化温度越高，促使电畴取向 排列的作用越大，极化就越充分。常用压电 陶瓷材料的极化温度取320~420K，极化时间 从几分钟到几十分钟。
材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形
状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连
续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格
便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可
达80dB。
（三）高分子压电材料
高分子压电材料是一种柔性的压电元件。密度仅为 压电陶瓷的1／4，弹性柔顺常数比陶瓷大30倍。 可以在几十微米的PVDF压电膜上，两面蒸镀金、 银等金属电极，电极厚度约0.1μm，再层压在0.125mm 聚酯基片上，并制作两个压接端子，作为信号引脚。 高分子压电材料的应用，从医学上使用的精密微细 敏感元件，到工业上用的各种传感器；从军事上应用 的声纳，到民用的防盗报警系统等。可以用于制作超 声诊断仪、血压计、指脉膊计、心率计、机器人的触 觉传感器、加速度传感器、水声探测器、声纳器件、 扬声器等。
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。
无铅压电陶瓷
锆钛酸钡钙的压电系数达到 600pC/N ，压电性能 已超过了世界上已使用半个世纪、但对人体和环境 有害的核心压电材料锆钛酸铅陶瓷（ 250pC/N ）。 无铅压电陶瓷取代铅基压电陶瓷已成为必然的趋势。
压电陶瓷与石英晶体的特性比较
.
（三）高分子压电材料
典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯 （PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性 聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电
压电变压器可用于电子警棍、负离子发生器、臭氧发生器、 静电喷漆、静电除尘、静电复印机、扫描电子显微镜等高压发
生装置。
29
二、压电材料的分类及特性
压电传感器中的压电元件材料常用的 有三类： 一类是压电晶体（如上述的石英晶 体）； 另一类是 经过极化处理的 压电
陶瓷；第三类是经过极化处理的高分子
压电材料。
压电材料 的分类
.
石英晶体的特性
石英晶体在 20 ～ 200℃的范围内压电常数的变化量只有 -
0.0001/℃。还具有自振频率高、动态响应好、机械强度高、绝
缘性能好、迟滞小、重复性好、线性范围宽等优点。 石英晶体的不足之处是压电常数较小： d=2.3110-12C/N 。因此石英晶体大多只在标准传感器、高 准确度传感器或使用高温压电传感器中使用，而在一般要求的 测量中，基本上采用压电陶瓷。
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
煤气灶压电点火器
煤气灶上的点火器有两 种。一种为有源点火器，要
件绝大多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶
瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及
非铅系压电陶瓷 （如BaTiO3等）。
压电陶瓷外形
压电陶瓷的工作原理
压电陶瓷是一种多晶压电材料。某些陶瓷粉末原料，在一定的工艺条件 下，经1000℃以上高温烧结、机械加工，可以制成圆片或其他需要的形状。 烧结而成的压电陶瓷由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是分子自发极 化的小区域。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中杂乱分布，它们的极化 效应被相互抵消了，因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。为了使压 电陶瓷具有压电效应,必须在高温下，在上下端面镀上电极，用上千伏高电压 进行极化处理，使电畴的方向趋向一致，冷却后就具有压电效应。
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。
石英晶体（单晶体）
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。
天然石英晶体外形
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倍，又由于纵
驻波的加强效应，输出电压倍增。
28
压电陶瓷高压变压器电路
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y面的两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。
常用的压电陶瓷材料
（1）锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）：是由钛酸 铅和锆酸铅组成的固熔体。有较高的压电常数 [d ＝ （200～500）10-12C/N]。在上述材料中加入微量的 镧（La）、铌（Nb）或锑（Sb）等，可以得到不同 性能的PZT材料。
（2）非铅系压电陶瓷：能减少制造过程中铅对环 境的污染。BaTiO3基无铅压电陶瓷、BNT基无铅压 电陶瓷、铌酸盐基无铅压电陶瓷、钛酸铋钠钾无铅 压电陶瓷、钛酸铋锶钙无铅压电陶瓷和钛酸钡钙压 电陶瓷等，它们的多项性能都已超过含铅系列压电 陶瓷，是今后压电陶瓷的发展方向。
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”。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力
的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，
但不能用于静态参数的测量。
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。 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）。
到573℃时，它突然完全失去了压电特性，这就是它的居里点。
石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性
石英在高封装
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：
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。
割角度。使在正常的工
作温度范围内，不至超
过所要求的容许误差。
晶片在切割、抛光的连 续加工过程中，都会因 加工的准确度不同，导 致一定的离散型，使温
度漂移变大，灵敏度不
一致等。
（二）压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，
它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造
成本却较低，因此目前国内外生产的压电元
检测与传感技术
--压电传感器
1
第四章
压电传感器
一、认识压电传感器
二、压电传感器的工作原理
三、压电传感器的等效电路 四、压电传感器的结构和应用
五、电荷放大器
第一节
压电传感器的工作原理
压电式传感器的特点： 是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基 础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现电量电 测的目的。
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
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