+ + + + + +
y轴方向受力：压力
y轴方向受力：拉力
3.电荷大小分析 （1）在X轴方向上施加外力Fx 纵向压电效应产生的电荷量q为：
Ax q d11 F1 d11F1 Ax
d11为纵向压电常数；
晶体表面产生的电荷与作用力成正比 （2）在Y轴方向上施加外力Fy 横向压电效应产生的电荷量q为：
Ax a d12为横向压电常数 d12 =-d11
4.结论 （1）正或逆压电效应，其作用力（或应变） 与电荷（或电场强度）之间呈线性关系 （2）晶体在哪个方向上有正压电效应，则此 方向上一定存在逆压电效应 （3）石英晶体不是在任何方向上都存在压电 效应。
柔软的压电材料，可根据需要
制成薄膜或电缆套管等形状。
它不易破碎，具有防水性，可 大量连续拉制，制成较大面积
或较长的尺度，价格便宜，频
率响应范围较宽，测量动态范 围可达80dB。
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
压电式脚踏报警器
4 压电半导体
半导体特性 压电性能
压电传感器的特点 1. 是有源传感器（发电型传感器） 2. 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比 大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可 靠性、稳定性高。 3. 动态参数的测量
6.1 压电材料 1.石英晶体的压电效应
二氧化硅单晶，也称单晶压电晶体 呈现：六面体的棱状
石英晶体
天然形成的石英晶体外形
第6章 压电式传感器
受力、表面形变
压电器件
电荷
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。
6.1压电式传感器工作原理
6.1 压电效应 1. 压电传感器是力敏感元件，将被测量力、压力、加速 度等转换成压电器件的表面电荷量，以实现非电量的 电测目的。 2. 变换为力的非电物理量，如动态力、动态压力、振动 加速度等，但不能用于静态参数的测量。 3.它是有源传感器（发电型传感器），基于某些材料的压 电效应 4.压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大 等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、 稳定性高。
受力、表面形变 电荷
压电器件
1.正压电效应
• 当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时，会产生变形， 此时材料的两表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后， 它又重新回到不带电状态，这种现象被称为压电效应。 • 当外力改变方向，电荷极性随之而改变，这种机械能转变 为电能的现象，称为“顺压电效应”或“正压电效”。 如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。
2.逆压电效应
当在某些物质的极化方向上施加电场，材料会产生机械变形。 当去掉外加电场后，该变形也随之消失，这种电能转变为机械 能的现象，称为“逆压电效应”或称“电致伸缩效应”。 如果在压电材料的两个电极面上加交流电压，那么压电片 将产生机械振动。如果是加高频电信号，则产生高频声信号 （机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。
天然形成的石英晶体外形
是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性
光轴
垂直于晶体截面
垂直于六面体棱面
机械轴
电轴
经过六面体棱线
X轴和Y轴方向，石英 晶体具有压电效应； Z轴（光轴），石英晶 体具有光的双折射效 应
2. 压电效应过程分析
（1）在X轴方向上加压力FX<0(纵向压电效应）
+
在X轴方向上加 拉力FX>0 +
-
应用：在能量转换方面，利用压 电陶瓷将外力转换成电能的特性， 可以制造出压电点火器、移动X 光电源、炮弹引爆装置。
2. 压电效应过程分析 （2）在Y轴方向上加压力Fy<0(横向压电效应）
不在y轴 上产生 电荷
在Y轴方向上加拉力Fy>0(横向压电效应） 当Fy>0(拉力)，其效果和Fx<0(压力)相似 当Fy<0(压力)，其效果和Fx>0(拉力)相似 应用：新型自行车减震控制器，一般的减振器难以达 到平稳的效果，而这种ACX减震控制器，通过使用压 电材料，首次提供了连续可变的减震功能。
常用压电材料
类 别 材 料 成
SiO2
分
特
性
单晶体、水晶
石英晶体 （人造、天然）
d11=2.31×10-12C/N， 压电系数稳定，固有频率稳定
承受压力 700-1000Kg/cm
压电陶瓷 新型压电 材料 人造多晶体 钛酸钡、锆钛酸 钡、铌酸盐系 压电特性 半导体特性 聚仿氟乙烯 聚氟乙烯
2
-11 压电系数高 d33=190×10 C/N
2. 压电效应过程分析 （3）在Z轴方向上加外力FX<0 无压电效应
•受力方向不同，引起压电晶体切片的不同变形，可在不同表面
上测得电荷
纵向压电效应，压 电片在 x 方向上受
横向压电效应， 压电片在y方向 上受正向应力 则它还在垂直于 x方向的平面上 产生电荷
切向压电效应，压 电片在 y 方向上受
品种多、性能各异 集成压电传感器 质轻柔软、抗拉强度高、不易破 碎、面积大 机电耦合系数高
压电半导体 有机高分子 压电材料
6.2 测量电路
受力、表面形变
压电器件
电荷
压电元件既是敏感元件，又是转换元件
6.2 测量电路
压电晶体的连接方式
（1）并联 压电传感器输出电容及极板上的电荷 分别为单块晶体片的两倍，而输出电 压与单片上的电压相等 C ’ ＝2C， q ’ ＝2q． U’＝U
正向应力
变形后在垂直于 x 方向的平面上产
切向应力
则在垂直于 x 方向 的平面上产生电
生电荷
荷
- - - - - - - -
+ + + + + +
+ + + + + +
- - - - - - - -
x轴方向受力：压力
x轴方向受力：拉力
+ + + + + +
- - - - - - - -
- - - - - - - -
q d11F
石英晶体切片及封装
石英晶体薄片
双面镀银并封装
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 产生稳定的振荡输 出频率。
2.压电陶瓷的压电效应
• 多晶铁电体，人造多晶体 • 压电系数高 品种多、性能各异
压电陶瓷外形
3高分子压电材料