机 械 能
压电元件
电 能
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（一）石英晶体
天然形成的石英晶体外形
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天然形成的石英晶体外形（续）
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石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
双面镀银并封装
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石英晶体振荡器（晶振）
晶振
石英晶体在振荡 电路中工作时，压电 效应与逆压电效应交 替作用，从而产生稳 精选ppt 定的振荡输出频率1。0
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第6章 压电式传感器 传感器原理及应用
概述
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
压电警号
压电陶瓷位精选移ppt器
压电秤重浮游计
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第6些电介质（晶体）
➢ 当沿着一定方向施加力变形时， 内部产生极化现象，同时在它表 面会产生符号相反的电荷；
➢ 当外力去掉后，又重新恢复不 带电状态；
压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。
压电材料的主要特性参数有：
① 压电常数: 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它 直接关系到压电输出灵敏度。
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。
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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。
第6章 压电式传感器
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体
传感器原理及应用
➢ 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发
现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。
➢ 压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。
外形结构
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在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微 弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅 等材料是性能优良的压电材料。
➢当作用力方向改变后，电荷的 极性也随之改变；
❖ 这种现象称压电效应。
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第6章 压电式传感器
6.1 压电效应
传感器原理及应用
❖ 压电效应是可逆的
➢在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
• 所以压电元件可以将机械能——转化成电能
➢ 也可以将电能——转化成机械能。
④ 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，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，这 是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。
⑤ 电阻: 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善 压电传感器的低频特性。
⑥ 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。
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第6章 压电式传感器
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体
传感器原理及应用
因为P=ql, q为电荷量，l为正负电荷之间距离。此时正负电
荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3=0，所以 晶体表面不产生电荷，即呈中性。
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将 产生压缩变形，正负离子的相对位置也随之变动。如图（b）所 示，此时正负电荷重心不再重合，电偶极矩在x方向上的分量由 于P1的减小和P2、P3的增加而不等于零。在x轴的正方向出现负 电荷，电偶极矩在y方向上的分精量选pp仍t 为零，不出现电荷。 21
如图6-3（a）所示。
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x
＋
－
P1 －
o
y
＋ P2 P3 ＋
－
(a)
x
Fx
A － －－ －－ －
＋
－ P1
－
y
o
＋ P2 P3 ＋
－
B ＋ ＋＋ ＋＋ ＋
Fx
(b)
x
A ＋＋＋＋
Fy
＋
Fy
y
－ P1 －
C
P2 ＋o
P3 ＋
D
－ B －－－－
(c)
图6-3 石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力
石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3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，等效为一个正六边形排列。 图中“”代表硅离子 Si4+， “”代表氧离子O2-。
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。
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第6章 压电式传感器
6.2 压电材料 6.2.1 石英晶体
压 电 晶 片
传感器原理及应用
人工合成水晶
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按特定方向切片
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第6章 压电式传感器
6.2 压电材料
6.2.1 石英晶体
传感器原理及应用
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。图6-2（a）表示了 天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方
式中, d11为x方向受力的压电系数。
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力Fy，则仍在与x 轴垂直的平面上产生电荷qy，其大小为
qy
d1
2
a b
Fy
(6-2)
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式中：d12——y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性， 有d12=-d11；
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
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z
o
x
y
x
(a)
z z
b
o
o
y
x
cy
a
(b)
(c)
图6-2 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片
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若从晶体上沿y方向切下一块如图6-2（c）所示的晶片，当
沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电
荷， 其大小为
qx d11Fx
(6-1)
向的特性是不同的。 其中纵向轴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和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 通
常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电
效应”， 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称
为“横向压电效应”。 而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
传感器原理及应用
第6章 压电式传感器
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第6章 压电式传感器
主要内容
传感器原理及应用
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
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第6章 压电式传感器 概述
传感器原理及应用
➢ 压电式传感器是一种典型的发电型传感器， 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。