1、一、压电效应二、压电元件三、接口电路四、压电式压力传感器2018/5/7 1压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础，压电效应是可逆的。因此，压电式传感器是一种典型的 “ 双向传感器 ” 。压电式传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等许多优点。因此在压力冲击和振动等动态参数测试中，是主要的传感器品种，它可以把加速度、压力、位移、温度、湿度等许多非电量转换为电量。压电转换元件的主要缺点是无静态输出，阻抗高，需要低电容的低噪声电缆，很多压电材料的工作温度只有左右。2018/5/7 2一、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
2、使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上便产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，上述这种现象称为正压电效应。当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质会产生变形，外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。具有压电效应的物质很多，常用压电材料如天然形成的石英晶体、人工制造的压电陶瓷等。2018/5/7 3（二）石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一，它是一个正六面体，在晶体学中可以把它用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴 z称光轴；经过正六
3、面体棱线并垂直于光轴的 x轴称为电轴；与 z轴和 x轴同时垂直的 y轴 (垂直于正六面体的棱面 )称为机械轴。将沿电轴 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方向的力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。2018/5/7 4图 8-1 石英晶体的外形与晶轴2018/5/7 5当晶片在沿 x轴的方向上受到压缩应力 作用时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶片的线性弹性范围内，极化强度 与应力 成正比，即： 式中， 为沿晶轴 x方向施加的压缩力； 为压电系数，当受力方向和变形不同时压电系数也不同，
4、石英晶体的 ；l、 b 分别为石英晶片的长度和宽度。2018/5/7 6压电系数 的下标 mn的意义是： m表示产生电荷的面的轴向， n表示施加作用力的轴向。在石英晶体中，下标 1对应 x轴， 2对应 y轴， 3对应 z轴。极化强度 等于晶片表面的电荷密度，即： 式中， 为垂直于 x轴平面上的电荷。把 值代入 得：2018/5/7 7由上式可以看出，当晶片受到 x向的压力作用时， 与作用力 成正比，而与晶片的几何尺寸无关。其极间电压为： 式中， 电极面间电容，S 极板面积，单位为 ；h 晶片厚度，单位为 m； 压电晶体的介电常数； 真空介电常数（ ）； 压电晶体的相对介电常数（ 4.58）。 2018/5/7 8根据逆压电效应，晶体在 x轴方向将产生伸缩，即 或用应变表示，则 式中， x 轴方向的电场强度。在 x轴方向施加压力时，石英晶体的 x轴正向带正电；如果作用力 改为拉力，则在垂直于 x轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，电荷的极性如图 8-2所示。2018/5/7 9图 8-2 晶片上电荷极性与受力方向的关系2018/5/7 10
