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第四节压电式传感器一、压电效应二、压电材料三、压电式传感器的测量电路四、压电式传感器的应用1

第四节压电式传感器概述?压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以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，从而实现非电量测量。?压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。?压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等特点。2

第四节压电式传感器一、压电效应某些电介质（晶体）?当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；?当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；?当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变；这种现象称正压电效应3

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；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。4

第四节压电式传感器v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，将电能转化成机械能，这种现象称逆压电效应?压电元件可以将机械能——转化成电能?也可以将电能——转化成机械能。正压电效应机械能电能压电元件逆压电效应5

第四节压电式传感器1、石英晶体的压电效应石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经ZZY过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（YXX(a)(b)石英晶体(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系垂直于正六面体的棱面）6称为机械轴。

第四节压电式传感器YY++-XX+--(a)(b)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石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。7

第四节压电式传感器Y晶体沿X方向将产生F收缩，电偶极矩在XFYX++X－-+-方向的分量为(P+P+P)0P+－－P3X1P1P3-+X123X+-+(P+P+P)=0P2P123Y2－-++(P+P+P)=0-+结论：当晶体受到沿123Z(b)F0X（即电轴）方即向在X的轴力的正F向出现XX(a)F=0正电荷，在Y、Z轴方作用时，它在方向产生正压电效应，而Y、ZXX向则不出现电荷。正、负离子（方向则不产生压电效应。Y即Si4+和2O2-）正好FFX+－分布在正六边形顶X+++角上，形成三个互成120o夹角的偶极矩P、P、P，电偶极矩的矢量和等于零，即-（P+P+P）0PP3－－1123X+X-（P+P+P）=0P2123Y+－123-（P+P+P）=0+123Z(c)F0X即在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。P＋P＋P＝08123

当晶体在Y轴方向力F作用时：Y当F＞0时，晶体的形变与在X轴方向力F＜0相似；YX当F＜0时，则与在X轴方向力F＞0相似。Y可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力F作用下，使它XY在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。如果沿Z轴方向上施加作用力F，因为晶体沿X方向和Z沿Y方向所产生的正变形完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。表明：沿Z（即光轴）方向加作用力F晶体不产生压电效应。Z9

第四节压电式传感器Z晶体切片：从石英晶体上沿轴线切下的平行六面体薄片。当晶片受到沿X轴方向的压力FX作用时，晶体切片厚度t将产生变形，并在与X轴垂直的平面上tYXbl产生电荷Q，即XX石英晶体切片XXXXFXFX++++－－－－FY++++FY－－－－++++－－－－(d)++++－－－－(a)(c)(b)10

通常把沿电轴X－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－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－Z方向受力则不产生压电效应。压电效应结论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都存在压电效应的。11

二、压电材料1、种类：n石英晶体：如石英等；n压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；n压电半导体：如硫化锌、碲化镉等；n高分子压电材料：聚二氟乙烯等。2、对压电材料特性要求：①转换性能：要求具有较大压电常数；