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1、传感器原理及工程应用 第6章 压电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器主要内容 1.压电效应及压电材料 2.压电式传感器测量电路 3.压电传感器的应用 本章学习重点：了解石英及压电陶瓷材料的压电效应及特 点，掌握压电式传感器测量电路的形式、特 点。掌握电压前置放大器与电荷前置放大器的区别及特点。传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 概述 压电式传感器是压电式传感器是以电介质的压电效应为基础，以电介质的压电效应为基础， 外
2、力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非 电量测量电量测量, ,压电式传感器是一种典型的发电型传压电式传感器是一种典型的发电型传 感器。感器。 压电式传感器的特点：压电式传感器的特点：频率频率响应范围宽、灵响应范围宽、灵 敏度高敏度高。结构简单、工作可靠、质轻。结构简单、工作可靠、质轻。可以对可以对 各种各种动态力动态力、机械冲击机械冲击和和振动振动进行测量，进行测量，在声在声 学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 概述 压电陶
3、瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计 压电警号传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器6.1 压电效应及压电材料 某些电介质（晶体）某些电介质（晶体） 当沿着一定方向施加力变形时当沿着一定方向施加力变形时 ，内部产生极化现象，同时在它，内部产生极化现象，同时在它 表面会产生符号相反的电荷；表面会产生符号相反的电荷； 当外力去掉后，又重新恢复不当外力去掉后，又重新恢复不 带电状态；带电状态； 当作用力方向改变后，电荷的当作用力方向改变后，电荷的 极性也随之改变；极性也随之改变； vv 这种现象称这种现象称压电效应压电效应。. .把机械能转换
4、为电能的现象把机械能转换为电能的现象 称为正压电效应或顺压电效应。称为正压电效应或顺压电效应。 第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 vv 压电效应是可逆的压电效应是可逆的 在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，将电能转化成机械能，这些电介质电介质材料在某一方向上 产生机械变形
5、或机械压力；当外加电场撤去时，这些 变形或应力也随之消失。这种这种电能转化为机械能的现 象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。 所以压电元件可以将机械能所以压电元件可以将机械能转化成电能转化成电能 也可以将电能也可以将电能转化成机械能转化成机械能。 压电元件机械能电能传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体 压电陶瓷压电陶瓷压电单晶体有石英压电单晶体有石英( (包括天然石英和人造石英包括天然石英和
6、人造石英) )、水、水溶性压电晶体溶性压电晶体( (包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等酸二钾、硫酸锤等) )；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。压电陶瓷等。传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发 现石英晶体、钛
7、酸钡、锆钛酸铅是优质的压电材料。现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优质的压电材料。 压电材料：压电晶体（压电材料：压电晶体（SiOSiO2 2） 外形结构外形结构ZXY如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶 柱，两端为一对称棱锥。柱，两端为一对称棱锥。传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 压压 电电 晶晶 片片按特定方向切片 人工合成水晶压电效应压电效应由晶体学知识：它可用三根互相垂直的轴来表示，Z 轴称为晶体的光轴。经过六面体的的棱
8、线,垂直于光 轴的X轴称为电轴。垂直于光轴和电轴的Y轴称为机械 轴.通常把沿电轴X方向的力作用下产生的电荷的压电 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”；沿光轴 Z方向施加作用力则不产生压电效应。传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 压电效应压电效应硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影(b)(a)+-YXXY +传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电
9、式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 压电效应分析压电效应分析 石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。 下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子 ，在垂直于，在垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个正六边形平面上的投影，等效为一个正六边形 排列。排列。 图中图中“ “” ”代表硅离子代表硅离子SiSi4+4+， “ “” ”代表氧离子代表氧离子OO2-2- 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传
10、感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 压电效应分析压电效应分析1) 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布 在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极 矩P P1、P P2、P P3。 如图（a）所示。 因为P P = qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心 重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P P1+P P2+P P30所以晶体表面不产生电荷，呈中性。2）当晶体受到沿x方向的压力（F x 0，由于拉力的作用，使离子发生位置上的变化，如图 所 示，使得电偶极距有X轴方向上的分量 ，这时所产生的极化方向和X轴一 致，结果在表面A上
11、带正电荷， B面带负电荷。传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 压电效应分析压电效应分析传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 4 4）在）在Y Y轴上施加外力的情况轴上施加外力的情况晶体在y轴方向受力F Fy作用下的情况与F Fx 相似。由此可 见，晶体在y（即机械轴）方向的力 F Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。 5）在Z轴方向上加外力当石英晶
12、体在Z轴方向施加外力时，由于硅离子和氧离子是对称平移，正负电荷中心始终保持重合，其正 负离子位置不发生变化，正负离子之间的偶极距之夹 角互为120 且大小相等，所以正负离子之间偶极距 的矢量和为0。压电效应分析压电效应分析传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 归纳：归纳：对于单晶体压电分析，实际上是由于晶体在对于单晶体压电分析，实际上是由于晶体
13、在X X轴方轴方 向上或向上或Y Y轴方向上施加力的时候，它会引起离子结构，轴方向上施加力的时候，它会引起离子结构，即晶体结构排列变化，从而引起极化状态，这即晶体结构排列变化，从而引起极化状态，这 种极化状种极化状 态最终导致在态最终导致在X X轴方向的两个面上，产生不同符号的两轴方向的两个面上，产生不同符号的两个电极。个电极。传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 压电元件受力后压电元件受力后, ,表面电荷与外力成正比关系表面电荷与外力成正比关系: : d d为压电系数为压电系数 纵向效
14、应：在纵向效应：在X X轴方向施力时轴方向施力时, ,产生电荷大小为产生电荷大小为: : F FX X为为X X方向应力方向应力 压电效应电荷大小分析压电效应电荷大小分析沿沿X X轴方向受力时，则在垂直于轴方向受力时，则在垂直于X X轴的平面上产生的轴的平面上产生的 电荷。电荷。q qx x与作用力与作用力F Fx x成正比，且于晶片的几何尺寸成正比，且于晶片的几何尺寸 无关。无关。d d1111压电系数，单位：压电系数，单位：C/NC/N（库仑（库仑/ /牛顿）牛顿） 石英晶体：石英晶体： 横向效应：在Y轴方向施力时,产生电荷大小为: 传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章
15、压电式传感器压电式传感器 6.1 压电压电 效应应及压电压电 材料 6.1.1 石英晶体 压电效应电荷大小分析压电效应电荷大小分析d d1212YY轴方向受力的压电系数，因石英晶体轴对称轴方向受力的压电系数，因石英晶体轴对称 ，所以，所以d d1212=-d=-d11 11 ，a a、b b晶体片的长度和厚度。晶体片的长度和厚度。F Fy y为为Y Y方向应力方向应力 沿机械轴沿机械轴Y Y方向施加作用力方向施加作用力F Fy y时，则仍在时，则仍在X X轴垂轴垂 直的平面上产生电荷直的平面上产生电荷q qy y， q qy y与作用力与作用力F Fy y成正比成正比 。且于晶片的几何尺寸有关。且于晶片的几何尺寸有关。压电常数压电常数传感器原理及工程应用传感器原理及工程应用第第6 6章章 压电式传感器压电式传感器压电元件在受到力作用时压电元件在受到力作用时, ,就在相应的表面上产生表面就在相应的表面上产生表面 电荷电荷, ,电荷与压电系数和受力都有关，压电材料的压电特电荷与压电系数和受力都有关，压电材料的压电特 性可以用矩阵来描述。压电常数性可以用矩阵来描述。压电常数d dij ij有两个下角注，有两个下角注，d d1111、d d3333 等的下角注数码代表该压电系数在
