传感器与自动检测技术演示教程第06章 压电式传感器

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第 6 章 压电式传感器
第 6 章 压电式传感器
6.1 压电效应及压电材料
6.2 压电式传感器测量电路
6.3 压电式传感器的应用
第 6 章 压电式传感器
6.1 压电效应及压电材料
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，
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，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几何
变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。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 6 - 1 所示。 v
第 6 章 压电式传感器
图6-1 压电效应可逆性
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第 6 章 压电式传感器
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。
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。
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。
第 6 章 压电式传感器
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：它的意义是，在压电效应中，转
换输出能量（如电能）与输入的能量（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 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 居里点温度 : 它是指压电材料开始丧失压电特性
的温度。
第 6 章 压电式传感器
表6-1 常用压电材料性能参数
第 6 章 压电式传感器
6.1.1 石英晶体
石英晶体化学式为 SiO2，是单晶体结构。图 6-2
（a）表示了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。 其中纵向轴 z称为光轴，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。
第 6 章 压电式传感器
图6-2 石英晶体
(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
z
xy
o
x
z
y
o
b
z
o
x
a
cy
(a) (b) (c)
第 6 章 压电式传感器
若从晶体上沿 y方向切下一块如图 6-2 （c）所示的
晶片，当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
xx
Fdq
11
(6-1)
式中 , d11 为x方向受力的压电系数。
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
yy F
b
a
dq 12
(6-2)
摘要：

第6章压电式传感器第6章压电式传感器6.1压电效应及压电材料6.2压电式传感器测量电路6.3压电式传感器的应用第6章压电式传感器6.1压电效应及压电材料某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，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，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几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。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...

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