《传感器原理及工程应用》课程PPT教学课件（讲稿）第5章 压电式传感器

第5章压电式传感器 2021/2/9

2021/2/9 1 第5章 压电式传感器

引言 压电式传感器的工作原理是基于某些介 质材料的压电效应,是典型的有源传感 器。当材料受力作用而变形时,其表面 会有电荷产生,从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小,重量轻,工 作频带宽等特点,因此在各种动态力 机械冲击与振动的测量,以及声学、医 学、力学、宇航等方面都得到了非常广 泛的应用。 2021/2/9

2021/2/9 2 引言 ◼ 压电式传感器的工作原理是基于某些介 质材料的压电效应，是典型的有源传感 器。当材料受力作用而变形时，其表面 会有电荷产生，从而实现非电量测量。 压电式传感器具有体积小，重量轻，工 作频带宽等特点，因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量，以及声学、医 学、力学、宇航等方面都得到了非常广 泛的应用

主要章节 51压电式传感器的原理及材料 52压电式传感器测量电路 53压电式传感器的基本性能指标及误 差 53压电式传感器的应用 2021/2/9

2021/2/9 3 主要章节 ◼ 5.1 压电式传感器的原理及材料 ◼ 5.2 压电式传感器测量电路 ◼ 5.3 压电式传感器的基本性能指标及误 差 ◼ 5.3 压电式传感器的应用

51压电式传感器的原理及材料 51.1压电效应 1.压电效应的概念 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,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。相反,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)。 2021/2/9

2021/2/9 4 5.1 压电式传感器的原理及材料 ◼ 1．压电效应的概念 ◼ 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，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。相反，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）。 5.1.1 压电效应

压电效应可逆性 机械量 压电元件 电量 2021/2/9 5

2021/2/9 5 压电效应可逆性

2压电效应原理 具有压电效应的物质很多,如石英晶体、压电 陶瓷、高分子压电材料等 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二 氧化硅单晶体,属于六角晶系。它为规则的六 角棱柱体。石英晶体有3个晶轴:x轴、y轴和 2轴又称光轴,它与晶体的纵轴线方向一致:X 轴又称电轴,它通过六面体相对的两个棱线并 垂直于光轴:y轴又称为机械轴,它垂直于两 个相对的晶柱棱面。 2021/2/9 6

2021/2/9 6 2.压电效应原理 ◼ 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电 陶瓷、高分子压电材料等 ◼ 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二 氧化硅单晶体，属于六角晶系。它为规则的六 角棱柱体。石英晶体有3个晶轴：x轴、y轴和 z轴。 ◼ z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致：x 轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并 垂直于光轴：y轴又称为机械轴，它垂直于两 个相对的晶柱棱面

石英晶体及切片 (a)完整的石英晶体 (b)石英晶片的切割 (c)石英晶片 2021/2/9

2021/2/9 7 石英晶体及切片

石英晶体的压电效应与其内部结构有关, 产生极化现象的机理可说明。 石英晶体的化学式为Sio2,它的每个晶 胞中有3个硅离子和6个氧离子,一个硅 离子和两个氧离子交替排列(氧离子是 成队出现的)。 n沿光轴看去,可以等效地认为正六边形 排列结构。 2021/2/9

2021/2/9 8 ◼ 石英晶体的压电效应与其内部结构有关， 产生极化现象的机理可说明。 ◼ 石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶 胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅 离子和两个氧离子交替排列（氧离子是 成队出现的）。 ◼ 沿光轴看去，可以等效地认为正六边形 排列结构

石英晶体的压电效应机理 ======= 2021/2/9

2021/2/9 9 石英晶体的压电效应机理

分析说明 (1)在无外力作用时 (2)当晶体沿电轴(x轴)方向受到压 力时,晶格产生变形 ■(3)同样,当晶体的机械轴(/轴)方 向受到压力时,也会产生晶格变形 (4)当晶体的光轴(轴)方向受到受 力时,由于晶格的变形不会引起正负电 荷中心的分离,所以不会产生压电效应。 2021/2/9

2021/2/9 10 分析说明 ◼ （1）在无外力作用时 ◼ （2）当晶体沿电轴（x轴）方向受到压 力时，晶格产生变形 ◼ （3）同样，当晶体的机械轴（y轴）方 向受到压力时，也会产生晶格变形 ◼ （4）当晶体的光轴（z轴）方向受到受 力时，由于晶格的变形不会引起正负电 荷中心的分离，所以不会产生压电效应