传感器原理与应用--压电传感器 ppt课件

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。 受交变力时，产生交变电信号。
传感器原理与应用
压电传感器
第一节 压电传感器的概述
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。 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。
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。
第二节 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。
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：
Q Βιβλιοθήκη Baidu d11
l

Fy
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
1－正电荷等效中心 2－负电荷等效中心
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。
11
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）。
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
压电材料的分类
（一）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
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）。
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 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。
6
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。
天然石英晶体外形
天然石英晶体外形（续）
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”。
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)。
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。
用，而在一般要求的测量中，基本上采用压电陶瓷。
石英晶体的等效电路
L1为动态电感 ； C1为动态电容； R1为损耗电阻； C0为晶体的静态电容。
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两个表面施加压力，仍然只在x面产生电荷。
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。