④压电半导体：硫化锌、碲化镉、氧化锌、硫 化镉、砷化镓等。
4.压电元件的结构形式
压电元件有5种基本变形形式： 厚度变形（TE方式）、 长度变形（LE方式）、 体积变形（VE方式）、 厚度剪切变形、 面剪切变形。
石英晶体没有体积变形压电效应。
压电片在压电式传感器中，必须有一定的预应力， 以保证在作用力变化时，压电片始终受到压力，同时 也保证输出电压与作用力成线性关系。这是考虑压电 片加工过程的结果。
但作压电器件应用时，这会给压电传感器造成热干扰， 降低稳定性。所以，对高稳定性的传感器，压电陶瓷的应 用受到限制。
常用的压电陶瓷 传感器技术中应用的压电陶瓷，按其组成基本元素多少
(1)二元系压电陶瓷 主要包括钛酸钡BaTiO3，钛酸铅 PbTiO3，锆钛酸铅系列PbTiO3-PbZrO3(PZT)和铌酸盐系 列KNbO3-PbNb2O3。其中以钛酸钡，尤其以锆钛酸铅系
压电式传感器类型 和应用
压电式传感器类型和应用
8.1 压电效应 8.2 测量电路 8.3 压电式传感器的应用
8.1 压电效应
1.压电效应
居里兄弟皮尔（P.Curie）与杰克（J.Curie）发 现压电效应（piezoelectric effect）。
某些电介质在机械应力作用下，产生形变，极 化状态发生变化，致使表面带电，表面电荷密度 与应力成正比，称为正压电效应。
石英晶体中x轴常称为电轴，y轴称为机械 轴，z轴称为光轴。
石英晶体沿z轴方向施加外力，不产生压电 效应。
石英晶体的主要性能特点是：
(1) 压电常数小，时间和温度稳定性极好；
(2) 机械强度和品质因素高，且刚度大，固有频率高， 动态特性好；
(3) 居里点573℃，无热释电性，且绝缘性、重复性均 好。
5.压电传感器的等效电路
可以将压电式传感器看作一个静电电容器。
因此，从性质上讲，压电器件实质上又是一个有源电 容器，通常其绝缘电阻 Ra10。10
Ca
S
h
r0S
h
式中，S－电容器极板面积；
h－压电元件厚度；
－ 压电材料的介电常数；
－真0 空的介电常数； －压r 电材料的相对介电常数，随材料
不同而变；
d13 d23 d33
d14 d24 d34
d15 d25 d35
d16 d26 d36
2 3 4 5
6
X0°切型石英晶体的压电常数矩阵，具体为:
石英晶体只有 d 1 和1 两d 1 4个独立常数。
对于左旋石英：d112.311012C/N
d140.671012C/N
石英：d 1 1和 d都1 4 是正值，数值不变。
单路动态信号测量
两路动态信号测量
（1）电压放大器
电压放大器的简化电路图
等效电阻R C=Cc+Ci
（二）逆压电效应
h dhkEk
（k=1,2,3;h=1,2,3,4,5,6）
式中， h －沿h方向的应变；
－E 沿k k方向施加的电场。
实验结论：
①有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压 电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应， 则此方向上必有逆压电效应。
②逆压电效应得压电常数与正压电效应的压电 常数数值是相等的，而且一一对应。一般情况 下，逆压电效应中压电常数矩阵是正压电常数 矩阵d的转置矩阵。
②压电陶瓷：钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电 陶瓷、铌镁酸铅压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷。
压电陶瓷的特点是： 压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配
方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能； 成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷
除有压电性外，还具有热释电性。因此它可制作热电传感 器件而用于红外探测器中。
(2)三元系压电陶瓷 目前应用的PMN，它由铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3钛酸铅PbTiO3-锆钛酸铅PbZrO3三 成分配比而成。另外还有专门制造耐高温、高压和电击穿 性能的铌锰酸铅系、镁碲酸铅等。 (3)综合性能更为优越的四元系压电陶瓷也已经研制成功。
③压电薄膜：氧化锌、硫化镉、硫化锌、铌酸 锂等；
－C 压a 电元件的内部电容。
由此，可以把压电式传感器等效为一个电荷源和一个 电容的电荷等效电路。
必须指出，上述等效电路及其输出，只有在压电器件 本身理想绝缘、无泄漏、输出端开路(即Ra =RL=∞)条 件下才成立。
压电式传感器测试系统的等效电路
8.2 测量电路
1.测量电路
测量电路：电压放大器、电荷放大器 （1）电压放大器 考虑电缆长度的影响； （2）电荷放大器 不用考虑电缆的影响。
压电常数的物理意义是：
在“短路条件”下，单位应力所产生的电荷密度。 “短路条件”是指压电元件的表面电荷一开始发生就被 引开，因而在晶体变形上不存在“二次效应”的理想条 件。压电常数有时也称压电应变常数。
3.压电材料分类
常用的压电材料有： 压电晶体、压电陶瓷、压电薄膜和压电半导体。
①压电晶体：石英晶体、水溶性压电晶体、铌 酸锂晶体；
石英晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
2.压电常数 压电材料的性能常用压电常数来表征，
Q dF 式中，Q为压电元件受力产生的表面电荷，F 为作用在压电元件上的力，d为压电常数。
（一）正压电效应
压电常数是表征压电性能强弱的参数，不同材料具 有不同的压电性能，同一材料在不同的受力方向，电 荷产生的情况也不同。对于一定施力方向和一定的产 生电荷表面而言，压电常数d是一个常数。
Pi j dij j
P i ，j j方向受力时在i方向上电荷积累的表面密度 （即沿i方向的极化强度）； ，j 沿方向j施加外力时，单位面积上感受的应 力；
d i，j 压电常数，（j方向受力，在i方向产生电荷 时的压电常数）。
1
P1 d11
P2
d21
P3 d31
d12 d22 d32
反之，施加外电场，介质内产生机械形变，应 变与电场强度成正比，称为逆压电效应，或称作 “电致伸缩效应”。
石英晶体
Z轴：光轴、中性轴； X轴：电轴； Y轴：机械轴
为什么产生压电效应？
石英晶体模型：
由于离子之间造成错位，电荷的平衡关系受到破坏，产生 极化现象，使表面产生电荷。
压电陶瓷的极化处理