压电传感器 课件 .pdf

第6章压电传感器

压电传感器是一种典型的自发电式传感器，

它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用

下，电介质表面产生电荷，从而将力、压力、加

速度、力矩等非电量转换为电量。

压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信

噪比高、结构简单、工作可靠及质量轻等优点，

可以对各种动态力、机械振动和冲击进行测量，

在力学、声学、医学、宇航等方面得到广泛的应

用

6.1压电效应

某些电介质，当沿着一定方向对其施加压力

或拉力时会使其产生变形，介质内部产生极化现

象，在介质的两个表面上会产生数量相等的异号

电荷；当外力去掉后，介质又恢复到不带电状态，

这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，

电荷的极性随之改变。

人们把这种机械能转换为电能的现象成为正

压电效应；反之，在电介质的极化方向上施加交

变电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场，

电介质变形消失，这种现象称为逆压电效应（电

致伸缩效应）。具有压电效应的物质很多，如天

然的石英晶体，人工制造的压电陶瓷等。

以石英晶体为例分析其压电效应的机理。石

英晶体化学式为SiO2（二氧化硅），是单晶体结

构，其形状为六角形晶柱，如图6-1（a）所示。

石英晶体各个方向的特性是不同的，在晶体学中

用三根相互垂直的轴来表示，其中纵轴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

轴和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。从图6-1（a）

所示的石英晶体上切割出一块正平行六面体如图

6-1（b）所示，再次切割出正方体薄片如图6-1

（c）所示。

通常把沿电轴x方

向施加作用力产生电

荷的压电效应称为纵

向压电效应；把沿机

械轴y方向施加作用力

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

力不产生压电效应。

图6-1石英晶体

6.1.1石英晶体压电效应的机理

石英晶体的压电效应与其内部结构有关，

产生极化现象的机理如图6-2所示。石英晶

体每个晶胞中有3个硅离子和6个氧原子，1

个硅离子和2个氧离子交替排列。沿z轴看

去，可近似等效成如图6-2（a）的正六边

+4

形排列结构，阳离子代表硅离子，阴离

Si

子代表氧离子。-2

2O

xxFx

x

A--------