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。
2. 石英晶体产生压电效应的微观机理
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，在垂直于z轴的xy平面上的投影， 等效为一个正六边形排列。 图中“＋”代表硅离子Si4+， “－”代表氧 离子O2-。
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四、压电传感器的应用
（1）、压电式测力传感器（P150） （2）、压电式加速度传感器（P151） （3）、压电式金属加工切削力测量 （4）、压电式玻璃破碎报警器
备注：三、主要用于金属加工切削力测量。 四、主要用于玻璃破碎报警器
（2）、压电式加速度传感器（P151）
压电加速度计是以压电晶体做敏感件。体积小、重量轻、输出信号大，固有频率高， 可用于测量振动、冲击等信号。其外形见下图。
（3）有机高分子压电材料

有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼 龙等十余种高分子材料。它可根据需要制成薄 膜或电缆套管等形状，并且可大量生产和制成 较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优 越性,是很有发展潜力的新型电声材料。
其他压电材料 同时具有半导体特性和压电特性的晶体 如： 硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这 种材料可以制成集敏感元件和电子线路于 一体的新型压电传感器，很有发展前途。
备注：压电陶瓷利用其材料在机械应力作用下，引起内部正负电荷中心相对位移而发生极化，导致材 料两端表面出现符号相反的束缚电荷即压电效应而制作。 压电陶瓷的弱点：性能没有石英晶体稳定。但随着材料科学的发展，压电陶瓷的性能正在逐步提高。
（2）经过极化处理的 压电陶瓷（多晶）
压电陶瓷应用实例 压电陶瓷换能器 压电陶瓷换能器
（4）、压电式玻璃破碎报警器
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。
以上内容为本组全体成员共同努力完成，如有 错误的地方希望同学们能在课后指出，如果您觉 得不错请给点掌声！
谢谢观赏！
Hale Waihona Puke （3）有机高分子压电材料。
（1）压电晶体
石英晶体
双 面 镀 银 并 封 装
天然形成的石英晶体外形
其他压电单晶还有适用于高温辐射 环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、 锗酸铋等
（2）经过极化处理的 压电陶瓷（多晶）
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它 比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本 却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大 多数都采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料 有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压 电陶瓷 （如BaTiO3等）。
压电式传感器
本组成员： 黄宇托、黄梓健、邝嘉宜、 李杰汉、李铨春
压电式传感器
一、压电材料 二、压电式传感器的工作原理
三、
压电式传感器的等效电路和测量电路
四、压电传感器的应用
一、压电材料

（P146）
压电传感器中的压电元件材料一般有三类：
压电陶瓷（多晶）；
（1）压电晶体； （2）经过极化处理的
式中
s--极板面积
0 --真空介电常数
Ca
r

0
εr--压电材料相对介电常数
δ--压电元件厚度
Ra是压电元件的漏电阻
等效电路

当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q，压电元件的开路电 压(认为其负载电阻为无穷大)U为
Q U Ca

这样，可以把压电元件等效为一个电荷源Q 和一个电容器Ca的等效电路；同时也等效为 一个电压源U和一个电容器Ca串联的等效电 路。其中Ra为压电元件的漏电阻。
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测量电路
根据压电元件的工作原理及上节所述两种等效电路，与压电 元件配套的测量电路的前置放大器也有两种形式：

电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压) 成正比。 电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。

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测量电路
电压放大器和电荷放大器：
Ri、Ci、Cc分别为放大器的输入电阻、输入电容和电缆线的电容
y x + y + x
-
(a)
+
(b) 硅氧离子的排列示意图
说明产生了压电效应。
三、 压电式传感器的等效电路和测量电路
等效电路

压电式传感器对被测量的变化是通过其压电元件产生电荷量的大小来反映的，因 此它相当于一个电荷源。 而压电元件电极表面聚集电荷时，它又相当于一个以压电材料为电介质的电容器 ，其电容量为： s
压 三、 电 式 传 感 器 的 工 作 原 理
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。
压电效应

（P146）
压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶 体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表 面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态 ；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的 电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成 的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又 称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。 压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚 度切变型、平面切变型 5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所 有晶体都能在这 5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变 形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。