第6章 压电式传感器
6.1 压电效应和压电传感器
6.1.1 压电效应
物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生形变时，其表面上会产生电荷，若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为压电效应。
具有压电效应的材料分为两类，一类为压电晶体，一类为压电陶瓷，它们压电效应的原理不相同。
压电晶体材料有：天然石英晶体（2SiO）、酒石酸钾钠（OHONHC262464）、酒石酸乙烯二铵（644OHNaKC,简称EDT）、酒石酸二钾（OHOHCK2642221,简称DKT）、硫酸锂（OHSOLi242）、磷酸二氢钾（42POKH,简称KDP）、磷酸二氢铵（424POHNH,简称ADP）、砷酸二氢钾（42ASOKH,简称KDA）、砷酸二氢铵（422ASOHNH,简称ADA）。
压电陶瓷材料有：钛酸钡（3BaTiO）、锆钛酸铅系[3OTiZrPb，PZT系]、铌酸盐系[铌酸钾3KNbO、铌酸铅32OPbNb]、铌镁酸铅PMNPbZrOPbTiOONbMg,3231333。
6.1.2 压电晶体的压电效应
压电晶体的压电效应以石英晶体为列来说明，石英晶体2SiO它是六角形晶体柱
石英晶体片不受力作用时，晶体片为电中性，晶体片表面不带电。
石英晶体片受电轴方向的力作用时，晶体片极化，晶体片表面将带电，带电的极性如图所示，带电面在受力面上，并且石英晶体片是有极性的。
-2O
+4Si
+4Si +4Si -2O -2O x电轴
y机械轴
z光轴
石英晶体SiO2
英晶片不受力作用不带电
-2O
+4Si
+4Si +4Si -2O -2O
英晶体电轴压电效应 +
+
+
+
-2O
+4Si
1
第6章 压电式传感器
6.1什么是正压电效应？什么是逆压电效应？
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。在这些电介质的一定方向上施加机械力二产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反的束缚电荷，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。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。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？比较三类压电材料的应用特点。
答：压电材料主要特性有：压电常数、弹性常数、介电常数、机电耦合系数、电阻、居里点。
（1）压电单晶：时间稳定性好，居里点高，在高温、强幅射条件下，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。
（2）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。
（3）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 压电元件在使用时常采用多片串联或并联的结构形式。试述在不同接法下输出电压、电荷、电容的关系，它们分别适用于何种应用场合？
答：在压电式传感器中，为了提高灵敏度，往往采用多片压电芯片构成一个压电组件。其中最常用的是两片结构；根据两片压电芯片的连接关系，可分为串联和2
并联连接。
并联：将两个压电元件的负端粘结在一起，中间插入金属电极作为压电元件连接时的负极，将两边连接起来作为连接件的正极，如下图所示。
压电传感器的等效电路
压电传感器是一种将机械物理量转换为电信号的传感器。具体来说，它利用了一种特殊的晶体材料，压电材料，通过5个元器件组成的等效电路来转换机械物理量为电信号，常用于测量压力、力、加速度等物理量。
首先，压电传感器的等效电路由五个元器件组成：压电陶瓷片、电容、电荷放大器、电源以及信号处理电路。其中，压电陶瓷片是整个电路的关键部分。当有机械物理量作用于压电陶瓷片时，它会发生形变，因此产生电荷，这就是压电效应。接着，电容和电荷放大器的作用就是将产生的电荷信号放大，以便处理。最后，信号处理电路就是将输出信号进行处理、放大、滤波和调理，以满足不同的需求。
进一步来看，压电传感器的输出信号可分为电荷输出、电压输出和电流输出三种。其中，电荷输出通常需要进行外接电荷放大器进行放大，而电压输出和电流输出则不需要。此外，压电传感器的一些参数也十分关键，例如灵敏度、频率响应、线性度等等，这些参数直接影响着传感器的使用效果和精度。
压电传感器的应用领域非常广泛。它被广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗诊断和交通运输等领域。在这些领域中，压电传感器常用于测量压力、力、加速度、振动等物理量，因此成为了非常重要的传感器类型。 总的来说，压电传感器的等效电路是一种将机械物理量转换为电信号的传感器。它由压电陶瓷片、电容、电荷放大器、电源以及信号处理电路五个元器件组成。同时，压电传感器的应用领域非常广泛，可以说是现代工业自动化的重要组成部分。在实际应用中，我们需要根据具体需求进行选择和搭配，以使其达到最优的使用效果。
压电式传感器电荷放大器工作原理
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