燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书
第一章 压电加速度传感器相关知识
第一节 压电加速度传感器简介
1.压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。 2.压电式加速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产生电荷信号不需要任何外界电源等特点，是被最为广泛使用的振动测量传感器。虽然压电式加速度传感器的结构简单，商业化使用历史也很长，但因其性能指标与材料特性、设计和加工工艺密切相关，因此在市场上销售的同类传感器性能的实际参数以及其稳定性和一致性差别非常大。与压阻和电容式相比，其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。
第二节 压电效应和压电材料
1.压电效应
某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为正压电效应。 ( 加力 变形 产生电荷) 逆压电效应
在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为“电致伸缩效应”，也叫做“逆压电效应”。(施加电场 电介质产生变形 应力 ) 2.压电材料
压电材料一般可以分为两大类，即压电晶体和压电陶瓷。在压电型加速度计的最常用的压电晶体为石英，其特点为工作温度范围宽，性能稳定，因此在实际应用中经常被用作
第6页 共22页
燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书
标准传感器的压电材料。由于石英的压电系数比其他压电材料低得多，因此对通用型压电加速度计而言更为常用的压电材料为压电陶瓷。压电陶瓷中锆钛酸铅(PZT)是目前压电加速度计中最经常使用的压电材料。其特点为具有较高的压电系数和居里点，各项机电参数随温度时间等外界条件的变化相对较小。必须指出的是，就同一品种的压电陶瓷而言，虽然都有相同的基本特性，但由于制作工艺不同可以使两个相同材料的压电陶瓷的具体性能指标相差甚大。这种现象可以通过典型的国产传感器和进口传感器的比较得以反映，国内振动测试业几十年的经验对此深有体会。 常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。 石英晶体的压电效应 2.1石英晶体
一种天然晶体，压电系数d11＝2.31×10－12C/N； 莫氏硬度为7、熔点为1750℃、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点：
转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550℃（压电系数不随温度而改变）、工作湿度高达100%、稳定性好。
X轴：电轴或1轴；Y轴：机械轴或2轴；Z轴：光轴或3轴。
第7页 共22页
燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书
“纵向压电效应”：沿电轴（X轴）方向的力作用下产生电荷 “横向压电效应”：沿机械轴（Y轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产生压电效应。 晶体切片
当沿电轴方向加作用力Fx时，则在与电轴垂直的平面上产生电荷
Qx?d11?Fx
d11——压电系数（C/N） 作用力是沿着机械轴方向 电荷仍在与X轴垂直的平面
Qx?d12aaFy??d11Fybb
此时， d12??d11切片上电荷的符号与受力方向的关系
第8页 共22页
燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书
图（a）是在X轴方向受压力， 图（b）是在X轴方向受拉力， 图（c）是在Y轴方向受压力， 图（d）是在Y轴方向受拉力。 石英晶体的压电效应
（a）正负电荷是互相平衡的，所以外部没有带电现象。
（b）在X轴方向压缩，表面A上呈现负电荷、B表面呈现正电荷。 （c）沿Y轴方向压缩，在A和B表面上分别呈现正电荷和负电荷 2.2压电陶瓷 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷的极化
第9页 共22页
燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书
压电陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图
自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符合相反而数值相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外的作用，
因此陶瓷片对外不表现极性。 压电陶瓷的正压电效应
压电陶瓷片上加上一个与极化反向平行的外力，陶瓷片将产生压缩变形，原来吸附在极板上的自由电荷，一部分被释放而出现放电现象。
当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附部分自由电荷而出现充电现象。
Q?d33?FQ —— 电荷量；
d33 —— 压电陶瓷的压电系数； F —— 作用力。 常见压电陶瓷 ：
（1）钛酸钡（BaTiO3）压电陶瓷
具有较高的压电系数和介电常数，机械强度不如石英。 （2）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3系压电陶瓷（PZT）
压电系数较高，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一两种微量元素，可以获得不同性能的PZT材料。
（3）铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷（PMN）
具有较高的压电系数，在压力大至700kg/cm2仍能继续工作，可作为高温下的力传感器。
第10页 共22页
压电加速度电压放大器模拟仿真
