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第六章-压电式传感器

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《压电式传感器》课件

《压电式传感器》课件

汽车领域
压电式传感器在汽车中用于测量和 控制关键系统的压力，如制动系统、 供油系统和排放系统，提高车辆的 性能和安全性。
与其他传感器的比较
1 压力传感器 vs. 光传感器
压力传感器可以检测和测量物体的压力，而光传感器可以用于检测光线的强度和频率。
2 压力传感器 vs. 温度传感器
压力传感器可以测量物体的压力变化，而温度传感器可以测量环境的温度变化。
续的信号处理和分析。
3
输出信号
经过处理和转换，压电式传感器将输出电压 信号转化为可读取的压力数值或其他形式的 信号。
应用领域
工业领域
压电式传感器在工业生产过程中用 于检测和测量压力、压力变化，广 泛应用于制造业、自动化系统和控 制系统。
医疗领域
压电式传感器在医学设备中用于监 测生命体征、药物输送系统、手术 器械等，确保医疗过程的安全和有 效性。
压电式传感器
欢迎来到《压电式传感器》的PPT课件！本课程将深入探讨压电式传感器的定 义、原理、种类、工作原理、应用领域、与其他传感器的比较，以及未来发 展方向。
定义
什么是压电式传感器？
压电式传感器是一种根据压电 效应原理制作的传感器，能够 将压力转化为电信号，实现压 力的检测和测量。
压电效应的原理
压电效应是指某些晶体材料在 受到压力或振动作用下，会产 生电荷分离和极化现象，从而 产生电压。
压电材料的种类
常用的压电材料包括石英、陶 瓷、聚合物等，每种压电材料 都具有不同的特性和应用领域。
工作ห้องสมุดไป่ตู้理
1
压电效应
当压电材料受到压力时，产生电荷分离和极
信号放大
2
化，从而产生电压信号。
传感器将微弱的电压信号放大，以便进行后

传感器原理及应用-第6章 - 压电式传感器剖析

传感器原理及应用-第6章 - 压电式传感器剖析

二、压电效应的基本原理
常见的压电材料可分为两类： 压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
压电单晶体： 石英(包括天然石英和人造石 英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾 钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、 硫酸锤等)。
多晶体压电陶瓷： 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 镁酸铅压电陶瓷等。
天然石英
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应 力，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷为
O
y
q12
d12
a b
Fy
x
b
z
d11
a b
FyxΒιβλιοθήκη yd11 = -d12 ，石英晶体轴对称条件。
产生电荷q11和q12的符号，决定于受压力
c a
还是受拉力。
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 4、石英晶体压电效应特点
Fx- -
++
- P1 +
P3 - + x
-
P2
+
- - ++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
在x轴的正向出现正电荷，在y、 z方向不出现电荷。
Fx<0 y
Fx- -
+ + Fx
- P1 +
P3 + -
x
-
P2
+
--
++
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 2、石英晶体压电效应的微观机理
§6.1 压电效应
二、压电效应的基本原理 5、压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体 压电材料。

第六章 压电式传感器

第六章 压电式传感器

测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大
器。
1、电压放大器
等效电阻
R R a // R i
Ra Ri Ra Ri
等效电容
C Ca Ci
在力作用下产生的电压：
u d Fm Ca s in t U m s in t
送入放大器输入端的电压为：
R R 1 j C 1 j C R 1 j C a R 1 j C 1 j C u j R C a 1 j R ( C C a )
q1 d 1 4
4
X切晶片
Y切晶片
q 2 d 2 5 5
厚度剪切变形(TS方式)
q 2 d 2 6 6
Y切晶片
（四）弯曲变形(BS方式)
它不是基本变形方式，而是拉、压、切应力 共问作用的结果。根据具体情况选择合适的 压电常数。
体积变形（VE）方式
对于BaTiO3压电陶瓷，
还有体积变形方式。
U im
d Fm R 1 R (C a C i C c )
2 2 2
高 频 R 1
U im
d F im Ca Ci Cc
为定值。
低的高频响应很好。
• 电荷放大器
– 是一个带电容负反馈的高增益运算放大器。 – 等效电路图如图所示。
第三节 压电元件常用结构形式
第三节 压电元件的常用结构形式
一、压电元件的基本变形
(一)厚度变形(TE方式) 石英晶体的纵向压电效 应，产生的表面电荷密 度为
q 1 d 1 1 1
(二)长度变形(LE方式) 利用石英晶体的横向压 电效应，表面电荷的计 算式为
q1 d 1 2 2

第6章压电式传感器原理及其应用

第6章压电式传感器原理及其应用
第6章 压电式传感器原理及其应用 章
6.1 压电效应和压电材料 6.2 压电元件的常用结构 6.3 压电式传感器等效电路和测量电路 6.4 压电式传感器的应用
压电式传感器概述
压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 压电式传感器的压电元件是利用压电材料制成的， 它是一种电量型传感器。 它是一种电量型传感器。 工作原理:以某些电介质的压电效应为基础 以某些电介质的压电效应为基础， 工作原理 以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， 作用下，电介质的表面就会产生电荷，有电压输出， M 从而实现力—电信号转换 再通过检测电荷量（ 电信号转换， 从而实现力 电信号转换，再通过检测电荷量（或 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 输出电压）的大小，即可测出作用力的大小。 压电元件是一种典型的力敏感元件， 压电元件是一种典型的力敏感元件，可用来测量最 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 终可变换为力的各种物理量，如测量压力、应力、 加速度等。由于压电元件具有体积小、重量轻、 加速度等。由于压电元Байду номын сангаас具有体积小、重量轻、结 构简单、可靠性高、频带宽、 构简单、可靠性高、频带宽、灵敏度和信噪比高等 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 优点，压电式传感器也随之得到了飞速发展。 在声学、力学、 在声学、力学、医学和航空航天等领域都得到了广 泛应用。其缺点是无静态输出， 泛应用。其缺点是无静态输出，要求有很高的输出 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。 阻抗，需用低电容的低噪声电缆等。
铜芯线充当内电极铜网屏蔽层作外电极管状pvdf高分子压电材料为绝缘层最外层是橡胶保护层为承压弹性元件当管状高分子压电材料受压时其内外表面产生电荷可达到测量的目的图620高分子压电电缆2高分子压电电缆的典型应用高分子压电电缆测速系统由两根高分子压电电缆相隔一段距离平行埋设于柏油公路的路面下50mm处如图621所示

第6章 压电式传感器

第6章 压电式传感器


应力与电荷密度

力与应力：用F表示力，用T表示应力，即 单位面积上的力：
F T A

电荷与电荷密度：用Q表示电荷，用 表示 电荷密度，即单位面积上的电荷：
Q A

压电效应可以用下面的方程描述：
σ = dT
• 该方程称为压电方程，它描述了压电传感器输 出（电荷密度）与输入（应力）之间的静态关 系 • d相当于灵敏度
A( )

d R 1 [ R(Ca Cc Ci )]
2

d R 1 ( )
2
可得实际增益与理想增益之比：
A( ) k ( ) * 2 A ( ) 1 ( )
k ( )

1 ( )
2
• 当 1 ，即输入信号频率较大， k ( ) 1 ， 此时，实际增益趋近于理想增益 • 因此，压电式传感器的高频特性较好，这是压电 式传感器的优点
S = dt E
•
d t 称为逆压电常数矩阵
二、压电方程和压电常数矩阵

压电效应可用压电方程来定量描述，如下：
σ = dT • d称为压电常数矩阵
• 不同的压电材料具有不同的压电常数矩阵 • 相同的压电材料，如果加工方式不同，也会有 不同的压电常数矩阵

应力：如图所示，一 共有6个方向 • T1 , T2 , T3 ：分别表 示沿x,y,z方向上的 应力（拉力为正， 压力为负） • T4 , T5 , T6：分别表 示绕x,y,z方向上的 切应力（右旋为正， 左旋为负）
T

三个端面的面积：
• A1 , A2 , A3 ：分别表 示与x,y,z垂直的端 面面积


T1 T 因此有： 2 1 d11 d12 d13 ... d16 T3 d d d ... d 2 21 22 23 26 T4 3 d31 d32 d33 ... d36 T 5 T6 写为向量-矩阵形式的压电方程为：

第6章压电式传感器习题

第6章压电式传感器习题
式中，Uo为输出电压；a为振动系统的加速度。
则当输出电压U°=2V时，振动加速度为
a=Uo/K=2 xi03/250=8(g)
F=PS=10>106X20>0-6=200(N)歼4.5,d11=2.31>012C/N
(1)0°切割石英晶体, 等效电容
0rS
Cah =7.97 X1014(F)
8.85 10
3
10 10
受力F产生电荷
Q=diiF=2.31 X1012>200=462 >102(C)=462pC
输出电压
(2)利用纵向效应的
极板并联。若所加力F=0.01sin(1000t)N，求：
(1)两极板间电压峰 一峰值；
(2)晶体厚度的最大变化。
解：(1)石英压电晶片的电容
C
Ca-
d
=4.514 XI0-12(F)
~4.5pF
由于Ra=1014Q,并联电容R并=100MQ=108Q
则总电阻
总电容
又因
所以
d11FmR
.1 RC
=0.756K03(V)=0.756mV
=0.205n
则怕=0.205f0=0.205 30=6.15(kHz)
压电式加速度传感器下限截止频率取决于前置放大器特性,
/n
2—
2%
(取等号计算)
0.981
)2=0.9604+0.9604( )2
()2=24.25
=4.924
3=4.924/tfL=3/2n=4.924/(2)=4.924/(2 RC)=4.924/(2X5X108X109)=1.57(Hz)
输出电压
8
Q
C

压电传感器的实际等效电路

压电传感器的实际等效电路
在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向 于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。
外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。 让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电 畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后， 电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大，这时的 材料才具有压电特性, 如图所示。
（2） 弹性常数 压电材料的弹性常数、 刚度决定着压电 器件的固有频率和动态特性。
（3） 介电常数
对于一定形状、 尺寸的压电元件, 其固
有电容与介电常数有关; 而固有电容又影响着压电传感器的频率
下限。
（4） 机械耦合系数 在压电效应中, 其值等于转换输出能量 （如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根; 它是衡量 压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 （5）居里点 压电材料开始丧失压电性能的温度点
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。
6.1.2 压电效应的数学模型 根据压电效应原理，当一个平行于X轴的力Fx作用在压电
转换元件的平面上时，压电元件表面的电荷密度q1为：
q1 ＝ d11 F1
由式可知，在压电晶体弹性变形的范围之内，电荷密度与 作用力之间的关系是线性的。
如果同时对压电转换元件的X、Y、Z三个轴的方向上作用 拉（压）力，对YZ、XY、XZ平面上作用切向应力，则各平面
1. 电压放大器（阻抗变换器） 图（a）、(b）是电压放大器电路原理图及其等效电路。
Ca
Ca
A
ua
Re
Ce Ri Ci
uo
ua
R C ui
(a)
(b)
电压放大器电路原理及其等效电路图 （a） 放大器电路; （b） 等效电路

[整理版]传感器原理与应用习题_第6章压电式传感器

[整理版]传感器原理与应用习题_第6章压电式传感器

[整理版]传感器原理与应用习题_第6章压电式传感器《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案教材:传感器技术(第3版)贾伯年主编，及其他参考书第6章压电式传感器6-1 何谓压电效应,何谓纵向压电效应和横向压电效应,答:一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。

且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比: D = dT 式中 d—压电常数矩阵。

当外力消失，电介质又恢复不带电原状;当外力变向，电荷极性随之而变。

这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。

若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S与外电场强度E成正比: S=dE 式中 d——逆压电常数矩阵。

这种现象称为逆压电tt效应，或称电致伸缩。

6-2 压电材料的主要特性参数有哪些,试比较三类压电材料的应用特点。

答:主要特性:压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。

压电单晶:时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。

此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。

不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。

压电陶瓷:压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。

新型压电材料:既具有压电特性又具有半导体特性。

因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件;也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。

6-3 试述石英晶片切型()的含意。

yxlt，50:/45:6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。

答:(1)并联:C′,2C，q′=2q,U′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。

传感器原理与应用习题第6章压电式传感器

传感器原理与应用习题第6章压电式传感器

《传感器原理与应用》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第6章 压电式传感器6-1 何谓压电效应？何谓纵向压电效应和横向压电效应？答：一些离子型晶体的电介质不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。

且其电位移D(在MKS 单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T 成正比： D = dT 式中 d —压电常数矩阵。

当外力消失，电介质又恢复不带电原状；当外力变向，电荷极性随之而变。

这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。

若对上述电介质施加电场作用时，同样会引起电介质内部正负电荷中心的相对位移而导致电介质产生变形，且其应变S 与外电场强度E 成正比： S=d t E 式中 d t ——逆压电常数矩阵。

这种现象称为逆压电效应，或称电致伸缩。

6-2 压电材料的主要特性参数有哪些？试比较三类压电材料的应用特点。

答：主要特性：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。

压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强辐射条件下，仍具有良好的压电性，且机械性能，如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。

此外，还在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。

不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。

压电陶瓷：压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，成形工艺性好，成本低廉，利于广泛应用，还具有热释电性。

新型压电材料：既具有压电特性又具有半导体特性。

因此既可用其压电性研制传感器，又可用其半导体特性制作电子器件；也可以两者合一，集元件与线路于一体，研制成新型集成压电传感器测试系统。

6-3 试述石英晶片切型（︒︒+45/50yxlt ）的含意。

6-4 为了提高压电式传感器的灵敏度，设计中常采用双晶片或多晶片组合，试说明其组合的方式和适用场合。

答：（1）并联：C ′＝2C ，q ′=2q,U ′=U,因为输出电容大，输出电荷大，所以时间常数，适合于测量缓变信号，且以电荷作为输出的场合。

压电传感器(第六章)

压电传感器(第六章)

电路并联
电路串联
C 2C,Q ' 2Q,U ' U C ' C ,U ' 2U ,Q ' Q
2
U’
+++++++++++ +
____________ _
___________
+++++++++++
+ _
U’
+++++++++++ + ___________ _ ++ + + + + + + + + + + _ ____________ +
第六章 压电传感器
主要内容
1.压电效应 2.压电材料 3.压电元件结构 4.等效电路与测量电路 5.压电传感器的应用
1
概述
压电式传感器是一种典型的自发电型传感 器，以电介质的压电效应为基础，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。
25
聚偏氟乙烯压电材料
聚 偏 氟 乙 烯 压 电 效 应
26
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
27
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
28
压电式脚踏报警器
29
6.3 压电元件结构形式
单片压电元件产生的电荷量甚微，为了提高压电传 感器的输出灵敏度， 在实际应用中常采用两片（或两 片以上）同型号的压电元件粘结在一起。 由于压电材 料的电荷是有极性的，因此接法也有两种。

第六章 压电式传感器

第六章 压电式传感器
U im d 33 FmR
1 CR
2
i
d 33 Fm C

2
arctan RC
当R无限大时 电压幅值比：
U im Um
Um
RC
1 1 RC
CR 2 1
U im 1 2 Um 1 1 i arctan 1 2
第六章：压电式传感器
主讲人：贾鹤萍
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些 电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质 表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。
压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能 变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力 、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信 噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固 、可靠性、稳定性高。
1、工作原理--压电效应
图6-1 压电转换元件受力变形的几种基本形式
返回
1、工作原理--压电效应 压电传感器中的压电元件材料一般有三类： 压电晶体（如上述的石英晶体）； 经过极化处理的压电陶瓷； 高分子压电材料。
1、工作原理----石英晶体 天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，
Z轴为光轴，是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体 不产生双折射现象。
q1 q11 q12 q13 q14 q15 q16
q1 d111 d12 2 d13 3 d14 4 d15 5 d16 6 q2 d211 d22 2 d23 3 d24 4 d25 5 d26 6 q3 d311 d32 2 d33 3 d34 4 d35 5 d36 6 [D] 1

压电式传感器 ppt课件

压电式传感器 ppt课件
• 压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多, 所 以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。 极化处理后的压电陶瓷材料的特性不稳定，而且剩 余极化强度和特性与温度有关, 它的参数也随时间 变化, 从而使其压电特性减弱。 • 目前使用较多的压电陶瓷材料是钛酸钡陶瓷及 PZT系列, 它有较高的压电系数和较高的工作温度。
ppt课件
19
6.1 工作原理及压电材料
7) 石英晶体的上述特性与其内部分
y
子 结 构 有 关 。 图 6.1.3 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z轴的xy平面上的投影，等
x
效为一个正六边形排列。右图中紫色
代表硅离子Si4+，绿色代表氧离子O2-。
8) 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P1、P2、P3。 如图6.1.3（a）所示。
ppt课件
11
6.1 工作原理及压电材料
相6 对5
介4
电 常
3
数2 ε1
居里点 t/℃
0
100 200 300 400 500 600
石英在高温下相对介电常数的温度特性
居里点温度
573°C
其介电常数和压电常数 的温度稳定性相当好， 在常温范围内这两个参 数几乎不随温度变化。
自振频率高，动态响应好，机械强度高，绝缘性能好， 迟滞小，重复性好，线性范围宽
• 具有体积小，重量轻，工作频带宽等特点, 因此在各种动 态力、 机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、 宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
ppt课件
2
6.1 工作原理及压电材料
一、 压电效应

第6章 压电式传感器讲解

第6章 压电式传感器讲解

第六章 压电式传感器
山东理工大学机械学院
(3)
铌镁酸铅是 20 世纪 60 年代发展起来的压电陶瓷。它由
铌镁酸铅 (Pb （ Mg 1/3 ·Nb 2/3 ） O 3) 、 锆酸铅 (PbZr O 3) 和钛酸铅
(PbTiO3)按不同比例配成的不同性能的压电陶瓷 , 具有极高的压电
系数和较高的工作温度, 而且能承受较高的压力。
Y切族：直角坐标中，切片的原始位置是厚度平行Y轴，长度平行X 轴，宽度平行于Z轴，以此原始位置旋转出来的切型；
第六章 压电式传感器 石英晶体的特点：
山东理工大学机械学院
（1）石英晶体的介电、压电常数的温度稳定性好，适于做 工作温度很宽的传感器。压电常数与温度关系如图6－5。
术语 居里点：石英压电常数d在常温几乎不随温度变化，但当温度超过 500℃时，急剧下降，达到573 ℃时，石英晶体失去压电特性，该温 度称其居里点或倒转温度。
第六章 压电式传感器
山东理工大学机械学院
应力符号规定：单向应力的符号规定拉应力为正，压应力 为负；剪切力的符号用右手螺旋定则确定。图6－2b表示其
正向。
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，使得方程组具有更普遍的意义。当电场方 向指向晶轴的正向时为正，反之为负。
第六章 压电式传感器
山东理工大学机械学院
（2）石英晶体的机械强度很高，可承受约108Pa的压力；在 冲击力作用下漂移很小；弹性系数大。可测大量程的力和 加速度。 （3）天然石英稳定性好，但资源少。一般用于校准用的标 准传感器或精度很高的传感器。
（4）人工石英（如铌酸锂晶体）时间稳定性远强于压电陶
瓷，居里点高达1200℃，适于做高温传感器。但其各向异 性明显，比石英脆，耐冲击性差。

压电传感器的应用

压电传感器的应用

2019/11/13
3
2．压电式周界报警系统
（用于重要位置出入口、周界安全防护等）
将长的压电电缆埋在 泥土的浅表层，可起分布 式地下麦克风或听音器的 作用，可在几十米范围内 探测人的步行, 对轮式或履 带式车辆也可以通过信号 处理系统分辨出来。右图 为测量系统的输出波形。
2019/11/13
4
3.交通监测
将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息 （包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地 磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监 控）及机场滑行道等。
2019/11/13
5
高分子压电 电缆的应用 演示
将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路 的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据 存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。
2019/11/13
8
压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用
压电传感器测量 双腿跳的动态力
压电式步态 分析跑台
压电式纵跳 训练分析装置
2019/11/13
9
本章作业 p108：2、3、5
2019/11/13
10
休息一下
2019/11/13
11
第六章：第三节 压电传感器的应用
一、高分子压电材料的应用
1. 玻璃打碎报Βιβλιοθήκη 装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上， 可以感受到玻璃破碎 时会发出的振动，并 将电压信号传送给集 中报警系统。
粘贴 位置
2019/11/13
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高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器
将厚约0.2mm左右的PVDF
薄膜裁制成1020mm大小。在它
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z b
o
y
x
c
a
6.1.3 、石英晶体的压电常数和电荷计算
X FX + + ++
－ － －－
(a)
X FX
－ － －－
X
FY －－－－
+ + ++ (b)
++ ++ (c)
石英晶片(束缚)电荷极性与受力方向关系
X FY + + + +
－－ － －
(d)
一、石英晶体的性能参数
1）、压电常数 d ij
FX + + + + +
Y
FX
-
+－
P1
-
P2
P3 +
－ -－
－
X
（P1+P2+P3）X<0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
(c) FX>0
在X轴的正向出现负(束缚)电荷，
在Y、Z方向则不出现(束缚)电荷。
晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体 的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似。由此可 见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产 生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。
压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数。
z
x
y
i1,2,3 分别表示在垂直于x、y、z轴的晶片表
z
面，即yz、xz、xy面上产生的电荷。
j1,2,3,4,5,6
x
j 1,2,3 分别表示沿x、y、z轴方向承受单向应力。
y
j 4,5,6 分别表示沿yz、xz、xy平面上承受的剪切应力。
i1,2,3 分别表示在垂直于x、y、z轴的晶片表
X
(a)
(a)
(c)
天然结构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：
纵向轴Z－Z称为光轴，在该方向施加压力不产生压电效应；
经过正六面体相对的两个棱线，垂直于光轴的X－X轴称为电轴（3个），
该方向压电效应最显著，该方向压电效应称纵向压电效应；
与X轴和Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴，
d11 0 0
0 0 0
d14 0 0
0 d14
0
0 2d11
0
T T T T T
2 3 4 5 6
+ + ++ (b) X
FY －－－－
++ ++ (c)
2）、居里温度 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度（石英573C）。
3）、其它参数：介电常数、弹性常数、绝缘电阻等。 压电晶体突出优点是性能非常稳定，介电常数和压电常数
第6章 压电式传感器
（有源传感器）
6.1
6.2 压电式传感器测量电路
6.3 压电式传感器的应用
6.1 压电效应及压电材料
6.1.1、压电效应
正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对 其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表 面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。 当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。
FX－ -
Y +
+FX
－ + P1 P3 - + X
－
P2
+
－ - ++
在Y、Z方向上的分量为：
(b) FX<0
（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正(束缚)
电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。
当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0） 作用时，其变化情况如图（c）。此时 电极矩的三个分量为：
面，即yz、xz、xy面上产生的电荷。
j1,2,3,4,5,6
z
x
y
j 1,2,3 分别表示沿x、y、z轴方向承受单向应力。
z
j 4,5,6 分别表示沿yz、xz、xy平面上承受的剪切应力。
如：d11在x方向上的单向应力下，在yz平面上产生的电荷(能力)；x
y
d12在y方向上的单向应力下，在yz平面上产生的电荷(能力) ；
几乎不随温度变化，在20~200C范围内温度每升高1 C，压 电场数仅减小0.016%。另外，它还具有自振频率高、动态性 能好、机械强度高、绝缘性能好、迟滞小、重复性好、线性
范围宽等优点。
b
二、石英晶体的表面(束缚)电荷计 算
X FX
当晶体受到x方向的拉应力时，在
－ － －－ x
垂直于x轴表面上产生的电荷密度11
Y
FY Y
-
+
－ - ++
z
+ P1
P3 - X
P2
－ + P1 P3 - + X
－
P2
+
o x
y
-
+
－ - ++
(a) FY=0
FY (b) FY>0
工程实际中，从石英晶体上切下一片平行六面
体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z
轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉 银法得到电极面。（该方法分析压电效应最简单， 还有许多种切法）
逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电 场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外 加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
压电材料可以分为两大类：天然石英晶体和人工压电陶瓷。
6.1.2、石英晶体的压电效应
Z
z
b
z
o
Y
o
y
x
y
x
c
a
该方向压电效应称横向压电效应。
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的，其分子式为
SiO2。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在xy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。
Y
-
Y +
Si4
Si4
X +
-X
2O2
O 2
(a)
-
+
(b)
Y
当 作 用 力 FX=0 时 ， 正 、 负 离 子 （ 即
由石英晶体的对称性，d11=-d12 d25=-d14 d26=-2d11
d 11 2 .3 1 1 0 ( 2 C /N ) d 14 0 .7 3 1 1 0 ( 2 C /N )
X FX
－ － －－
通过实验和理论分析，对于石英晶体，只有d11 d12 d14 d25 d26不为零。
T1
1 d11 20 3 0
-
+
Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形 成三个互成120º夹角的偶极矩P1、P2、P3，
+ P1
P3 - X
如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电
P2
偶极矩的矢量和等于零，即
-
+
P1＋P2＋P3＝0
(a) FX=0
当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用 时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离 子相对位置随之发生变化，如图（b）所 示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶 极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0
与应力T1成正比，即：
+ + ++
z
o y
c
a
11d11T1
T1
Fx ac

11d11a Fxc(C/m2)
又11qa11c(C/m2)
q11d1F 1x(C)