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第六章_压电式传感器 第一页，共四十页，2022年，8月28日 * * 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。 第二页，共四十页，2022年，8月28日 * * 主要章节 6.1 压电式传感器的原理及材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的基本性能指标及误差 6.3 压电式传感器的应用 第三页，共四十页，2022年，8月28日 * * 6.1 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）。 压电效应 第四页，共四十页，2022年，8月28日 * * 压电效应可逆性 第五页，共四十页，2022年，8月28日 * * 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。 第六页，共四十页，2022年，8月28日 * * 石英晶体及切片 第七页，共四十页，2022年，8月28日 * * 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。 第八页，共四十页，2022年，8月28日 * * 石英晶体的压电效应机理 第九页，共四十页，2022年，8月28日 * * 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。 第十页，共四十页，2022年，8月28日 * * 结论 沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，式中的负号说明沿机械轴的压力引起的电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。 第十一页，共四十页，2022年，8月28日 * * 压电材料 石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 应用于压电式传感器中的压电元件材料一般有3类：压电晶体、经过极化处理的压电陶瓷、高分子压电材料。 第十二页，共四十页，2022年，8月28日 * * 石英晶体 天然形成的石英晶体外形 第十三页，共四十页，2022年，8月28日 * * 天然形成的石英晶体外形（续） 第十四页，共四十页，2022年，8月28日 * * 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银并封装 第十五页，共四十页，2022年，8月28日 * * 石英晶体振荡器（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。 晶振 第十六页，共四十页，2022年，8月28日 * * 压电陶瓷外形 第十七页，共四十页，2022年，8月28日 * * 高分子压电薄膜及拉制 第十八页，共四十页，2022年，8月28日 * * 高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆 第十九页，共四十页，2022年，8月28日 * * 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 第二十页，共四十页，2022年，8月28日 * * 压电式脚踏报警器 第二十一页，共四十页，2022年，8月28日 * * 压电材料 （5）时间稳定性。 （2）机械性能。 （3）电性能。 （4）环境适应性强 （1）转换性能。 1．压电材料的要点 第二十二页，共四十页，2022年，8月28日 * * 6.2 测量电路 将压电晶片产生电荷的两个晶面封装上金属电极后，就构成了压电元件。 等效电路 当压电元件受力时，就会在两个电极上产生电荷，因此，压电元件相当于一个电荷源；两个电极之间是绝缘的压电介质