• 压电效应：晶体表面上产生的电荷与外力作用大小 成正比。
QFQdF
精确表达式 Pi dij i
式中：dij是压电常数，单位为(C/N)； Pi是电荷的表面密度，单位为(C/cm2); σi是单位面积上的作用力（应力）， 单位为(N/cm2）。
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6.1 压电转换元件的工作原理
压电常数矩阵：
(4) P2≠ 0， P1= P3= 0, (当只有σ5、σ6时,改变 了晶体在y方向无电荷的状况)：
d25 ≠ 0, d26 ≠ 0, d15=d35=0, d16=d36=0;
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6.1 压电转换元件的工作原理
压电常数矩阵：
d11 d11 0 d14 0
0
D0 0 0 0 d14 2d11
天然石英晶体的结构外形
• 光轴( Z轴):晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射
现象,且无压电效应；
• 电轴(X轴):与该压轴垂直的面，压电效应最为显著; • 机械轴(Y轴):在外电场作用时，在此轴上产生的机械变形最
大。
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6.1 压电转换元件的工作原理
压电方程——压电效应的数学表达式
•注意事项：极化面在Z轴，而X，Y轴各向同性。
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6.1 压电转换元件的工作原理
单向应力的压电方程表达
P 1d111, P 1d122, P 3d333, P 3d311, P 3d322;
其中，P=Q/S， σ=F/S （S为作用面的面积），
Q 1 d 1F 1, Q 1 d 1F 2 2 S 1S 2, Q 3 d 3F 3 3, Q 3 d 3F 1 S 3S 1 ,Q 3 d 3F 2 2 S 3S 2;
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电 传感器。它的工作原理是基于压电材 料的压电效应。石英晶体的压电效应 早在1680年即已发现，1948年制作出 第一个石英传感器。
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第6章 压电式传感器
6.1 压电转换元件的工作原理--压电效应
6.2 影响压电传感器的因素
6.3 压电材料
0 0 0 0 0 0
对石英晶体
d112.311012(C/N), d140.731012(C/N)。
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6.1 压电转换元件的工作原理
压电陶瓷压电效应机理
▪ 压电陶瓷是一种经过极化处理的人工多晶铁电体。
• 多晶：由无数细微单晶组成； • 铁电体：具有电畴结构； • 电畴：分子自发形成的极化方向相同的小区域。
d11 d12 d13 d14 d15 d16 Dd21 d22 d23 d24 d25 d26
d31 d32 d33 d34 d35 d36
一般情况下压电方程：
P D d d2 11 11 1 d d2 12 22 2 d d2 13 33 3 d d1 24 44 4 d d1 25 55 5 d d126666 d311d322d333d344d355d366
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6.1 压电转换元件的工作原理
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为 图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形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。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
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6.1 压电转换元件的工作原理
极化处理：在一定温度下，以强电场使“电畴” 规则排列，余下了很强的剩余极化，压电陶瓷材 料表面出现束缚电荷，吸附空气中的自由电荷， 形成压电陶瓷。
压电常数矩：
0 0 0 0 d15 0 D 0 0 0 d15 0 0
d31 d31 d33 0 0 0
6.4 等效电路
6.5 测量电路
6.6 压电式传感器的应用举例
6.7 新型压电材料及应用
6.8 超声波传感器原理及应用
本章要点
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6.1 压电转换元件的工作原理
某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作用 时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生 符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状 态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变； 晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述 现象称为正压电效应。反之，如对晶体施加一定变电 场，晶体本身将产生机械变形，外电场撤离，变形也 随着消失，称为逆压电效应。
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6.1 压电转换元件的工作原理
压电方程和压电常数矩阵
压电效应 • 正压电效应——某些晶体或多晶陶瓷受到外
力作用时，内部就产生极化现象，表面上产 生符号相反的电荷的现象； • 逆压电效应——如对晶体施加一定电场，晶 体本身将产生机械变形的现象。
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6.1 压电转换元件的工作原理
(2)P1= P2= P3= 0, (当只有Fz时)： d13=d23=d33=0;
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6.1 压电转换元件的工作原理
剪切力单独作用时，在表面A和B及C和D 上出现电荷：
(3) P1≠ 0， P2= P3= 0, (当只有σ4时,使晶体在x 方向有伸缩,等效有σ1作用)： d14 ≠ 0, d24=d34=0;
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6.1 压电转换元件的工作原理
石英晶体压6.1 压电转换元件的工作原理
单向应力单独作用时（Fx、Fy及Fz ）， 只在表面A和B上出现电荷，符号与Fx， Fy有关：
(1)P1≠ 0， P2= P3= 0, (当只有Fx或Fy时)： d11=-d12 ≠ 0, d21=d31=0, d22=d32=0;
•压电陶瓷与石英晶体比较
d 1 1 2 . 3 1 1 1 ( C 0 2 / N ), d 3 3 1 1 9 1 ( C 0 2 / 0 N );
压电陶瓷效果显著。 -
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6.2 影响压电式传感器主要因数
①横向灵敏度
▪ 横向灵敏度是衡量横向干扰效应的指标。一只理 想的单轴压电传感器，应该仅敏感其轴向的作用 力，而对横向作用力不敏感。产生原因是压电片 制造得作用面不平行，粗糙，