第四节瓜电式传蠃器 是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下 在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量 压电传感元件是力敏感元件,所以它能测量最终能 变换为力的那些物理量,例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比 大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来,由 于电子技术的飞速发展,随着与之配套的二次仪表以及 低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现,使压电传感 器的使用更为方便。因此,在工程力学、生物医学、石 油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广 泛的应用
是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下， 在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能 变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比 大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由 于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及 低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感 器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石 油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广 泛的应用。 第四节 压电式传感器
压电数应 正电效庇(顺电效应):某些电介质,当沿着 定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象, 同时在它的一定表面上产生电荷,当外力去掉后,又重 新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时,电荷 极性也随着改变 逻丘电应(电致倬繪效应):当在电介质的 方向施加电场,这些电介质就在一定方向上产生机械变 形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也 随之消失的现象 正压电放应 电能 机械能 压宅效应
一 、压电效应 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着 一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象， 同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重 新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷 极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化 方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变 形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也 随之消失的现象。 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应
()后英晶体的电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体,在晶体 学中它可用三根互相垂直的轴来表示,其中纵向轴Z-z 称为光轴;经过正六面体棱线,并垂直于光轴的X—X 轴称为电轴;与X-X轴和z一Z轴同时垂直的Y一Y轴 (垂直于正六面体的棱面)称为机械轴。 通常把沿电轴X一X方向 的力作用下产生电荷的 压电效应称为“纵向压 Y 电效应”,而把沿机械 Y 轴Y-Y方向的力作用下 产生电荷的压电效应称y 为“横向压电效应”, (b) 沿光轴Z一Z方向受力则 石英晶体 不产生压电效应。 (a)理想石英晶体的外形(b)坐标系
（一）石英晶体的压电效应 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体 学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z 称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X 轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴 （垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。 Z X Y (a) (b) 石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 通常把沿电轴X－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－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” ， 沿光轴Z－Z方向受力则 不产生压电效应
石英晶体具有压电效应,是由其内部结构决定的 组成石英晶体的硅离子S计和氧离子O2在Z平面投影, 如图(a)。为讨论方便,将这些硅、氧离子等效为图(b) 中正六边形排列,图中“+”代表Se+“一”代表 202-。 Y (b) 硅氧离子的排列示意图 (a)硅氧离子在z平面上的投影 (b)等效为正六边形排列的投影
石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。 组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影， 如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b) 中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+ ， “－”代表 2O2-。 (a) (b) + + - - - Y X X Y 硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影 +
当作用力Fx=0时,正、负离子 Y (即Si4和202)正好分布在正六边形 顶角上,形成三个互成120°夹角的偶/n1x 极矩P、P2、P3,如图(a)所示。此 时正负电荷中心重合,电偶极矩的矢 量和等于零,即 P1+P,+P=0 (a) Fxo 当晶体受到沿X方向的压力(Fx<0)作用时,晶体沿X 方向将产生收缩,正、负离子相对位置随之发生变化, 如图(b)所示。此时正、负电荷中心不再重合,电偶 极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)x>0F 在Y、Z方向上的分量为 (P1+P2+P2)√=0(P1+P2+P2)=0 由上式看出,在X轴的正向出现正电 荷,在Y、Z轴方向则不出现电荷。 (6) FxO
当作用力FX =0时，正、负离子 （即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形 顶角上，形成三个互成120º夹角的偶 极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此 时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢 量和等于零，即 P1＋P2＋P3 ＝0 当晶体受到沿X方向的压力（FX<0）作用时，晶体沿X 方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化， 如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶 极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3 )X>0 在Y、Z方向上的分量为 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正电 荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。 Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + － － － － FX (b) FX<0 + + + - - - P1 P2 P3