第六章压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材 料}(石英晶体和压电陶瓷)的压电效应。是双 向传感器。实现力与电荷的双向转换。 可测与力相关的物理量,如各种动态力、 机槭冲击与振动。在声学、医学、力学、宇 航等方面都得到了非常广泛的应用。 缺点是无静态输出,要求有很高的电输出 阻抗。需用低电容的低噪声电缆
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材 料(石英晶体和压电陶瓷）的压电效应。 是双 向传感器。实现力与电荷的双向转换。 第六章 压电式传感器 可测与力相关的物理量，如各种动态力、 机械冲击与振动。 在声学、 医学、力学、宇 航等方面都得到了非常广泛的应用。 缺点是无静态输出，要求有很高的电输出 阻抗。需用低电容的低噪声电缆
第一节压电效应 压电效应 某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象(内部正负电荷中心相对位 移),同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态,这种现象 称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之 改变。这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效
第一节 压电效应 一、 压电效应 某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形时, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位 移）, 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象 称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之 改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效 应”
当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产 生变形,这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效 应)。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料 称为压电材料,压电材料能实现机一电能量的相互转 换。 ++++ 压电效应 逆压电效应
当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产 生变形, 这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效 应）。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料 称为压电材料, 压电材料能实现机—电能量的相互转 换。 _ y 逆压电效应 压电效应
机械量 压电元件 电量 压电效应可逆性 在自然界中大多数晶体具有压电效应,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
在自然界中大多数晶体具有压电效应, 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
压电效应表达式 Q=dF d-压电系数; F一外作用力 为了使用方便,常用 压电应变常数,则有 物理意义:在短路条件下,单位应力所产 生的电荷密度
压电效应表达式 Q dF = d--压电系数； F－外作用力 为了使用方便，常用 压电应变常数，则有 ij j q d = 物理意义：在短路条件下，单位应力所产 生的电荷密度 ij d
第二节压电材料 明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料 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的灵敏度 (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
第二节 压电材料 明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料 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的灵敏度。 （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
(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。 4)机械耦合系数:在压电效应中,其值等于转 换输岀能量(如电能)与输入的能量(如机械能) 之比的平方根;它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)居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称 为居里点
（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。 （4） 机械耦合系数:在压电效应中, 其值等于转 换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能） 之比的平方根; 它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） 居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称 为居里点
单晶体 石英晶体是单晶体结构。它是一个正六面体, 有右旋和左旋晶体之分,外形互为镜像对称。石英 晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中,它 有三个轴
1、单晶体 石英晶体是单晶体结构。它是一个正六面体， 有右旋和左旋晶体之分，外形互为镜像对称。 石英 晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中，它
电轴(X轴): 平行于相邻柱 面内夹角的等 分线棱线,垂 直于此轴面上 的压电效应最 强 机械轴(Y 轴):垂直于 棱柱面。 在电场(沿X向作用下,沿该轴方向的机械变形最 大
电轴（X轴）： 平行于相邻柱 面内夹角的等 分线棱线，垂 直于此轴面上 的压电效应最 强。 机械轴（Y 轴）：垂直于 棱柱面。 在电场（沿X向作用下，沿该轴方向的机械变形最 大
光轴(Z轴):垂直于XY。光线沿该轴通过 石英晶体时,无折射,在此方向加外力,无 压电效应现象 结论: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 向受力时不产生压电效应
光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过 石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无 压电效应现象 。 结论：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 向受力时不产生压电效应
