自动检测技术梁森版第六章

机电类 《自动检测技术及应用》

多媒体课件(共13章，第六章)统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4

课程配套网站 或2012年7月版2013-9-7 1

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第六章

压电传感器

本章介绍压电效应、逆压电效应及应用、 压电元件、等效电路、电荷放大器、压电 传感器的结构及应用，振动的基本概念、 振动传感器及振动频谱分析等。

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第六章6.1 6.2 6.3 6.4

压电传感器 目录进入 进入 进入 进入

压电传感器的工作原理 压电传感器的测量转换电路 压电传感器的结构和应用 振动测量及频谱分析

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第一节

压电传感器的工作原理

压电式传感器的特点： 是一种自发电式传感器。它以某些电介质的 压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表 面产生电荷，从而实现电量电测的目的。

压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最 终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、 动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参 数的测量。

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一、压电效应天然结构的石英晶体呈六角形晶柱，用金刚 石刀具切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受 到压力时，晶格产生变形，表面产生电荷，电 荷Q与所施加的力F成正比 ，这种现象称为压 电效应 。还有一些人造材料也具有压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它 就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介 质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应 (电致伸缩效应)。

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石英晶体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(氧离子是成对出现的)。沿 光轴看去，可以认为是正六边形排列结构。在 无外力作用时，硅离子所带正电荷的等效中心 与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整 个晶胞不呈现带电现象。

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天然石英晶体外形

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天然石英晶体外形(续)

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天然石英晶体的结构及剖面

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天然石英晶体的三个轴在晶体学中，可用三根相互垂直的轴来表示。其中 纵向轴称为光轴，也称z轴，有折光效应，没有压电效 应。

经过正六面体棱 线，并垂直于光轴 的轴线称为电轴， 也称x轴；经过正六 面体的棱面且垂直 于光轴的轴线称为 机械轴，也称y轴。2013-9-7

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天然石英晶体的三个面从石英晶体上切割出一块平行六面体的切片， 再进一步从该正六面体上切割出正方形薄片，就 是工业中常用的石英晶片。正方形薄片的6个面 分别垂直于光轴(z轴)、电轴(x轴)和机械轴 (y轴)。

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石英晶体切片的三个面(续)在x面的两个表面施加压力，在x面的上下表 面产生电荷； 在x面的两个表面施加压力，仍然只在x面产 生

电荷。 l、δ、b分别为 石英晶片的长度、 厚度和高度。电 荷只产生在与x轴 垂直的x面的前后 两侧。

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石英晶体的特性

石英(SiO2)是一种具有良好压电特性的压电晶体。 其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好,在常温范 围内这两个参数几乎不随温度变化,如下两图。 在20~200℃范围内，温度每升高1℃,压电系数仅 减少0.016%。但是当到573℃时，它突然完全失去了 压电特性，这就是它的居里点。

石英的d11系数相对于20℃ 的d11温度变化特性

石英在高温下相对介电常数的 温度特性

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石英晶体的切片

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石英晶体片及封装石英晶体薄片

双面镀银并封装

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天然石英晶体的x、y轴向受力产生电荷比较 1.在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压 力Fx时，在x面上产生的电荷为：Q=d11Fx

式中 的 d11称为压电常数。2.在y轴方向施加压力Fy 时，仍然在x面上产

生电荷：Q d11 l

Fy

式中的 l、δ为石英 晶片的长度和厚度。

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石英晶体的压电效 应演示

当力的方向改变时，电荷的极性随之改变， 输出电压的频率与动态力的频率相同；当施加 静态力时，在初始瞬间，产生与力成正比的电 荷，但由于表面漏电，所产生的电荷很快泄漏， 并消失。

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压电效应的微观分析未受力时石英晶体的正负电荷中心重叠， 从宏观上看，整体不带电

1-正电荷等效中心 2-负电荷等效中心

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晶体沿x面受压力时的带电情况分析 石英晶体的正负电荷中心分离，宏观上看， x面的上表面带正电，下表面带负电

Q=d11Fx

1-正电荷等效中心 2-负电荷等效中心

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晶片沿x面受拉力时，或是所受压力消失后， 弹性体反弹时，也能导致石英晶体的正负电荷 中心分离, x面的上表面带负电,下表面带正电。 受交变力时，产生交变电信号。

1-正电荷等效中心 2-负电荷等效中心

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沿 y面受压力时,石英晶体的正负电荷中心也产生 分离, x面的上表面带负电,下表面带正电

Q d11

l

Fy

y面受压力时的带电情况等效于沿x轴方向施拉力 的情况。但产生的电荷量可能比沿x轴方向施拉力时 的电荷量大几倍，视晶片的长度与宽度之比 l/δ的倍 数而不同。