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1、Kunming University of Science and TechnologyDepartment of Automation Engineering, Informational faculty Spring 2010检测及过程控制技术 Measurement &Process control Technology昆明理工大学信自学院自动化系measurement&process control technology昆明理工大学信自学院检测及过程控制系统 Measurement &Process control Technology第四章 压力与真空度检测-压电式传感器（4.3）m
2、easurement&process control technology4.3节压电式传感器v4.1、概述v4.2、压电效应分析v4.3、测量电路measurement&process control technology4压电式传感器第4.1节概述v4.1.1、作用v4.1.2、压电效应v4.1.3、压电式传感器的特点measurement&process control technology第4.1节 概述4.1.1、作用 压电传感器是力敏感元件，将被测压力、 力、加速度等转换成压电器件的表面电荷量 ，以实现非电量的电测目的。它是一种典型 的有源传感器（或称发电型传感器）它是基 于某些材
3、料的压电效应。例如：单晶体 ，多晶体的压电陶瓷材料 等 4.1.2、压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应 两种情形。measurement&process control technology第4.1节概述4.1.2、压电效应 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应 两种情形。 1. 正压电效应 即晶体（电介质）受到一定方向上的机械外 力时，其内部产生极化现象（类似于铁磁体 的磁化现象），晶体的两个表面上产生符号 相反的电荷（或产生内部电场）。当力消失 后，有重新恢复不带电的状态。measurement&process control technology第4.1节概述4.1.2、压电
4、效应 2. 逆压电效应 在晶体（电介质）的极化方向上施加外部 电场，晶体（电介质）产生伸缩机械形变（ 或机械应力）。当外电场消失则晶体（电介 质）的机械形变（机械应力）消失。 4.1.3、压电式传感器的特点 基于压电效应的压电传感器具有许多应用特 点。 1.响应频带宽，灵敏度高。measurement&process control technology第4.1节概述4.1.3、压电式传感器的特点 1.响应频带宽，灵敏度高。 2.结构简单，工作可靠、质轻。 3.广泛应用于工程力学，生物医学，电声学 等许多技术领域。measurement&process control technology4.
5、3节 压电式传感器v4.1、概述v4.2、压电效应分析v4.3、测量电路measurement&process control technology4.3节压电式传感器第4.2节 压电效应分析v4.2.1、石英晶体压电效应分析v4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 石英晶体： 又称水晶体（单晶体）。 天然结构的石英晶体呈现一个正六面体的形 状。如图所示：measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1
6、、石英晶体压电效应分析其中，X轴电轴，经过六面体棱线Y轴机械轴，垂直于六面体棱面Z轴光轴，垂直于晶体截面且与X，Y轴垂直。measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 1.压电效应过程分析 结论：石英晶体压电片如图所示，在其X 轴，Y轴方向上加外力F时，均在X轴的两个 截面上产生符号相反的电荷。而在Z轴方向上 加外力时，不会产生任何压电效应。measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 1.压电效应过程分析 （1）石英晶
7、体 的结构 如图所示，硅氧离子结构排列，图(a)measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 1.压电效应过程分析 （1）如图所示， 如果用表示 ， 表示 则形成正 六边形对称排列，图(b)measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 1.压电效应过程分析 （2）外力 时 如图所示，三个大小相等，夹角 的正负 电荷之间的电偶极矩 其中measurement&process control technology第4.2节
8、压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 1.压电效应过程分析 （2）外力 时 且 （合电偶极 矩为零，不呈现极性）（3）在X轴方向上加压力 时（纵向压 电效应），如图所示，正负电荷离子相对位置 发生变化。measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 1.压电效应过程分析（3）在X轴方向上加压力 时（纵向 压电效应） 则电偶极矩在X轴方向分 量， 在X正方向 上产生正电荷。X轴的反方向 上产生负电荷。在Y轴和Z轴上 不产生电荷。measurement&process control technology
9、第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 1.压电效应过程分析（4）在X轴方向上加拉力 时（纵向 压电效应） 如图所示。同理：则X轴正方向上产生负电荷。其反方向上产生 正电荷。在Y轴和Z轴方 向上不产生电荷。measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 1.压电效应过程分析 （5）在Y轴方向上加拉力 时(横向压电效应) 当 （拉力），其效果如图(b) （ 压力）时的情况相似。 当 （压力），其效果如图(c) （ 拉力）时的情况相似。 （6）在Z轴方向上加外力 时（无压电效应 ） 由于正负离子
10、位置保持不变，其 所以不产生任何方向上的压电效应measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 2.电荷大小分析 （1）在X轴方向上加外力 时 在X轴表面上产生的电荷量（垂直于X轴表面上的电荷量） 其中： 压电系数分析：作用力使晶体发生形变，并发生极 化现象产生一定的极化强度。 其极化强度： 与应力 大小有关 则： measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 2.电荷大小分析 （1）在X轴方向上加外力 时 在X轴表面上产
11、生的电荷量 其极化强度： 与应力 大小有 关则：（ ：X轴方向截面积） 而极化强度 在数值上等于晶体表面上的电 荷密度。即 所以成立 measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 2.电荷大小分析 （1）在X轴方向上加外力 时 相应的逆压电效应 根据逆压电效应，在X轴方向上施加外电压 作用下，则产生晶体形变 （式中 是压力片的厚度） 相对应变（ ：X轴方向上的电场强度）measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 2.电
12、荷大小分析 （2）同样在Y轴方向上加外力 时measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 2.电荷大小分析 （2）在Y轴方向上加外力 时 在X轴方向表面上产生的电荷（压电系数） 分析： 而电荷密度成立measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 2.电荷大小分析 （2）在Y轴方向上加外力 时同理逆压电效应产生的形变在X轴方向上加电场 则其相对应变measurement&process control technology
13、第4.2节 压电效应分析4.2.1、石英晶体压电效应分析 3.结论 （1）无论是正或逆压电效应，其作用力（或 应变）与电荷（或电场强度）之间呈线性关系 。（2）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。（3）石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应的。measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析 压电陶瓷是属于铁电体一类物质，是人工 制造的多晶体材料。具有类似铁磁体材料磁畴 结构的电畴结构即电畴特性。 1.电畴特性和极化处理 （1）电畴特性 是指材料分子自发形成的分子团，如 图所示。
14、 具有一定的极化方向，从而存在一定的电 场，但是分子团的杂乱无章无规则排列，在无 外电场的作用下，其呈现中性。measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析 1.电畴特性和极化处理 （1）电畴特性如图所示。measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析 1.电畴特性和极化处理 （2）极化处理 在电场的作用下，电畴分子团有规则 排列（趋于外电场方向）从而使材料得到极化 ，如图（b）所示。外电场去除后，其内部残 存剩
15、余极化强度图（c）所示。 （3）压电陶瓷需经过极化处理后才具有一定 的压电效应。measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析 2.压电效应分析 极化处理后的压电陶瓷材料，在其极化方 向上施加外力时将会产生压电效应。但其过程 不同于石英晶体压电过程。 （1）在未受外力作用下 在未受外力作用下，整个压电片如图 所示measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析 2.压电效应分析 （1）在未受外力作用下measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析 2.压电效应分析 （1）在未受外力作用下 不呈现极性而是中性。 这是因为残余极性强度产生正负束缚电荷 ，并且吸附了外界自由电荷起到屏蔽和抵消片 内极化强度对外界的作用。 （2）在外加与极化方向平行压力F时measurement&process control technology第4.2节 压电效应分析4.2.2、压电陶瓷材料的压电效应分析
