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天然或人工合成石英晶体（SiO2），具有良好
的机械强度和压电效应。压电系数较小（dx
=2.310-12C/N），但压电系数的温度稳定性好。在 20～200C内，温度每升高1C，压电系数仅减小 0.016%，升高到200C 时，仅减小5%，达到573C 时，失去压电特性，此温度称为石英的居里点。介
4.压电半导体 具有压电和半导体两种特性，易于集成。
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第2节 压电式传感器的测量电路
一、压电元件的等效电路 压电器件相当于具有一定电容的
F
金属膜
电荷源，其电荷和电容为：
No
QIdmFageCa
0 A
d
电容两极板间开路电压为：
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第1节 压电效应及压电材料
一、压电效应 压电式传感器是一种可逆型换能器，既可
以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机 械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。
某些晶体在外力作用下，不仅产生形变， 而且内部发生极化现象，在其表面产生电荷， 形成电场；去掉外力后又重新回到不带电的平 衡状态，这种现象称为压电效应。
阻率、居里点均较低，易受潮，性能不稳定。
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2.多晶压电陶瓷 （压电陶瓷） 由多种材料经烧结合成，制作方便，成本低。
原始压电陶瓷须经强电场极化处理后才具有压电性。 压电陶瓷的压电常数一般比石英高数百倍。现代压 电元件，大多采用压电陶瓷。
① 钛酸钡（BaTiO3） 由碳酸钡BaCO3和二氧化钛TiO2 按1 ：1摩尔比混合 烧结而成。压电常数约为石英的50倍，介电常数高 (1200)，居里点约120C。
U a ImNaoCgQea
Q
Ca Ra
Ca ua
F
a) 压电晶片
Ia
j C aU a 1 j RaC a
Ra
j Q
1 j RaC a
b) 等效电荷源
c) 等效电压源 等效电路中电流
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若考虑负载（测量电路），等效电路如下：
Ca
Q
Ca Ra Cc Ri Ci ua
Ra Cc Ri Ci
电常数为4.5。
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其它压电晶体有铌酸锂（LiNbO3），居里点1210C， 具有良好的压电性，适用于高温环境，但比石英脆，
抗冲击性差。
钽酸锂（LiTaO3），居里点666C，压电常数为石
英的3倍。 酒石酸钾钠（NaKC4H4O6•4H2O），压电系数较大
（dx=310-9 C/N ），但机械强度低，机械强度、电
a) 电荷源等效电路
b) 电压源等效电路
其中，Ra、Ca压电元件的电阻和电容；Cc为电
缆寄生电容；Ci为后续测量电路的输入电容。 No Image
电元件放大电路
压电元件内阻高，电荷信号微弱。因此要前置 放大器。前置放大器要具备如下两个特点： （1）将压电元件的高阻抗输出转换为低阻抗输出， 使之能用一般方法进行信号处理； （2）同时对弱信号进行放大，使之具有负载驱动能 力。
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与压电效应相反，如果将具有压电效应的晶体 置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外 力作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。
二、压电材料
具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。
压电材料应具有大的压电系数；机械强度高、刚度大
；高电阻率和介电系数；稳定性好。
压 电 材料 压 压电 电多 单晶 石 晶 其－ 英 它压 晶 压电 体 电陶 单瓷 晶 体
由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷
量与晶体尺寸有关。
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根据石英晶体轴对称的条件，dy=dx，从而：
b Qy dx a Fy
即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的 电荷极性相反。
切向压电效应：沿x轴或y轴施加剪切力，晶体表面 产生电荷的现象。沿x轴的剪切力产生的电荷出现在 与y轴垂直的表面上（电荷量与剪切力成正比，与晶 片尺寸无关）；沿y轴的剪切力产生的电荷出现在与 x轴垂直的表面上。
Fx－作用力。
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横向压电效应：沿y轴施加作用力，晶体表面产生电
荷的现象。电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。产
生的电荷量为
Qy dyFy
sx sy
b dyFya
式中dy－横向压电常数；Fy－作用力；
sx、sy －分别为与x轴、y轴相垂直的表面面积；
a －x轴向厚度；b －y轴向长度。
前置放大器的种类有电压放大器和电荷放大器。
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②锆钛酸铅（PZT）系列压电陶瓷 居里点300C左右，压电常数70～80010-12C/N，性 能和稳定性均超过钛酸钡。其中有些产品可耐高温、 高压。
3.高分子有机压电材料 聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚氯乙 烯（PVC）、聚偏二氟乙烯（PVDF）等。易于大量 生产、面积大、柔软不易破碎，可制成阵列器件。 用于微压和机器人触觉。
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机械轴：y轴，垂直于x轴和z轴所在平面的轴线。 在电场作用下，y轴具有最明显的机械变形。石英 晶体z轴仅一个，x轴和y轴各有3个。
纵向压电效应：沿x轴施加作用力，晶体表面产 生电荷的现象。电荷出现在与x轴相垂直的表面
上。产生的电荷量为：
Qx=dxFx 式中 dx－纵向压电常数；
有 机 压 电 材 料 －胶压和电压橡电 塑 料
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1.石英晶体：中间为六角形棱柱，两端为对称的棱
锥，共30个晶面。
光轴：z轴，与晶体纵轴方向 一致。光线沿z轴方向通过晶
体不发生双折射。沿光轴的 作用力不产生压电效应，故 又称为中性轴。
电轴：x轴，通过两个相对的
六角棱线并垂直于光轴的轴 线。垂直于此轴的晶面上有 最强的压电效应。
传感检测技术及其应用 第二篇 典型传感器的原理
及其应用技术
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第7章 压电式传感器
压电式传感器是一种可逆型换能器，它既 可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化 为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压 电效应。
1.掌握压电式传感器的工作原理； 2.了解压电式传感器的等效电路； 3.了解压电式传感器的测量电路； 4.理解压电式传感器的应用。