传感器基础教程第5章压电式传感器

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第 5 章压电式传感器

第

第5

5章压电式传感器

章压电式传感器

压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，

当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电

量测量。

压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。

5.1 压电式传感器的工作原理

5.2 压电材料的主要特性

5.3 压电元件常用的结构形式

5.4 压电式传感器的信号调理电路

5.5 压电式传感器的应用

第 5 章压电式传感器

5.1 压电式传感器的工作原理

一、压电效应

二、压电材料

三、石英晶体的压电机理

四、压电陶瓷的压电机理

第 5 章压电式传感器

一、压电效应

当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这

种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后，它又重新回

到不带电状态，这种现象被称为压电效应。

 把这种机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。

 反之，在某些物质的极化方向上施加电场（加电压），它会产生

机械变形，当去掉外加电场后，该物质的变形随之消失，把这种电能转

变为机械能的现象，称为“逆压电效应”。

逆压电效应

极化面

机械能

正压电效应

压电介质电能

第 5 章压电式传感器

压电材料的压电特性常用压电方程来描述：

　　　　　　　 qi= dij



j 或 Q = dij F

dij —压电常数（ C／N），（ i = 1 ，2，3，j = 1 ，2，3，4，

5，6）；

q — 电荷的表面密度（ C／cm2），

 —

单位面积上的作用力，即应力（ N／cm2）；

Q — 总电荷量（ C），

F — 作用力（ N）。

i — 晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂于

x 轴（ y 轴或 z 轴）时，记为 i = 1 （2 或3）。

j = 1 ，2，3，4，5，6

分别表示沿 x 轴、 y 轴、 z 轴方向的单向应力和在垂直于 x 轴、 y

轴、 z 轴的平面（即 yz 平面、 zx 平面、 xy 平面）内作用的剪切力。

第 5 章压电式传感器

单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的

符号用右螺旋定则确定。图中表示了它们的方向。另外，还需要对因

逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定 dij 的符号。

当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。

压电材料的压电特性可用它的压电常数矩阵表示：

 















363534333231

262524232221

161514131211

dddddd

第 5 章压电式传感器

二、压电材料

具有压电效应的电介物质称为压电材料。

在自然界中，大多数晶体都具有压电效应，然而大多

数晶体的压电效应都十分微弱。

石英晶体及钛酸钡、锆钛酸铅等人造压电陶瓷是性能

优良的压电材料。

第 5 章压电式传感器

 压电晶体（单晶）：它包括压电石英晶体和其它压电单晶；

 压电陶瓷（多晶体）：也称多晶半导瓷，为极化处理的多晶体；

 新型压电材料：有压电半导体和有机高分子压电材料两种。

目前普遍应用的是压电单晶中的石英晶体和压电陶瓷中的钛酸

钡、锆钛酸铅、铌酸盐系压电陶瓷。

⑴ 压电晶体

⑵ 压电陶瓷

⑶ 新型压电材料

压电材料可以分为三大类

第 5 章压电式传感器

⑴ 压电晶体

① 石英晶体：俗称水晶，化学成分为 SiO2，有天然和人工之分。

目前传感器中使用的均是以居里点为 573℃ 、晶体结构为六角晶系的

α－石英。

石英晶体的外形

（a）天然石英晶体；（ b）人工石英晶体；（ c）右旋石英晶体的理想外形

m－柱面 R－大棱面 r－小棱面 s－棱界面 x－棱角面

第 5 章压电式传感器

ⅰ. 压电常数小（压电系数 d11 ＝2.31×10-12C／N），其时间和温度稳定性

极好，常温下几乎不变，在 20~200℃ 内其温度变化率约为2.15106 /℃ ；

ⅱ. 机械强度和品质因数高，许用应力高达（ 6.8~9.8 ）×107Pa 。且刚度大，

能承受 700~1000kg ／cm2的压力。固有频率高且十分稳定，动态特性好；

ⅲ. 居里点 573℃ ，无热释电性，且绝缘性、重复性均好。

所以石英是理想的压电传感器的压电材料。

天然石英的上述性能尤佳，因此它们常用于精度和稳定性要求高的场

合和制作标准传感器。

② 除了天然和人造石英压电材料外，还有水溶性压电晶体，属于单斜晶

系。例如酒石酸钾钠（NaKC4H4O6·4H2O）、酒石酸乙烯二铵（C6H4N2O

6）等，还有正方晶系如磷酸二氢钾（KH 2PO4）、磷酸二氢氨（NH 4H2P

O4）等等。

石英晶体的主要性能特点：

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第5章压电式传感器第第55章压电式传感器章压电式传感器压电式传感器是以某些物质的压电效应制作的一种传感器，当材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器）。5.1压电式传感器的工作原理5.2压电材料的主要特性5.3压电元件常用的结构形式5.4压电式传感器的信号调理电路5.5压电式传感器的应用第5章压电式传感器5.1压电式传感器的工作原理一、压电效应二、压电材料三、石英晶体的压电机理四、压电陶瓷的压电机理第5章压电式传感器一、压电效应当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形，此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。...

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