第6章 压电式传感器

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1、第6章压电式传感器主要内容：1.压电效应2.压电材料3.压电元件结构4.等效电路与测量电路5.压电传感器的应用要点：压电式传感器原理（压电效应，压电材料），测量电路应用； 概述：压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以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，从而实现非电量测量，压电式传感器可以对各种动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用（晶振）。6.1压电效应图6-1压电效应原理示意图 由物理学知道，自然界32种晶体点阵中，有中心对称和非对称两大类，在非中心对称的21种中，有20种有压电效应。压电现象是晶体缺乏中心对称引起的。·某些电介质

2、（晶体），当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它的两个表面会产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称压电效应。·当作用力方向改变后，电荷的极性也随之改变·对中心对称的晶体，无论如何施力，正负电荷中心重合，极化强度（电矩）等于零，不显极性。·对非对称的晶体，F(x)=0时，晶体正负电荷中心重合，对外不显极性，但在外力作用改变时，正负电荷中心分离，电矩不再为零，晶体表现出极性。·压电效应是可逆的。当在戒介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。所以压电元件可以将机械能转化成电能，也可以将电能转化成机械能。  

3、   6.2压电材料自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料，压电材料又可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。压电材料的主要参数有：压电常数、弹性常数、介电常数。 6.2.1石英晶体天然石英晶体和人工石英晶体都属于单晶体，化学式为SiO2,外形结构呈六面体,沿各方向特征不同。沿X方向(电轴)的力作用产生电荷的压电效应称”纵向压电效应”；沿Y方向的(机械轴)的力作用产生电荷的压电效应称”横向压电效应”；沿Z方向的(光轴)的力作用时不产生压电效应。图6-2石英晶体切割方向 压电特征可以用矩阵表示，压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系：(d压电系数)

4、沿z轴切一块晶体，在X轴方向施力时,产生电荷大小为：为X方向应力在Y轴方向施力时,产生电荷大小为：Y方向应力压电系数为常数：a、b是晶体切片几何尺寸(长、厚)。石英晶体的上述特征与内部分子结构有关,电偶极矩分布受到应力时分别为：①当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，形成夹角的电偶极矩，晶体呈中性。②晶体受沿X轴方向应力时，X方向压缩形变，电偶极矩，正负离子相对位置变化，在X轴的正方向出现正电荷，Y方向分量为零不出现电荷；③晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩在X轴的正方向出现负电荷，Y方向分量为零不出现电荷。④晶体受沿Z轴方向的应力时，X，Y方向产生形变相同，不产生压

5、电效应。图6-3石英晶压电模型⑤当应力方向是拉力时，电荷极性与上述相反。 6.2.3压电陶瓷（多晶体）压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，材料的内部晶粒有许多自发极化的电畴，他有一定的极化方向。 （a）未极化（b）电极化图6-4压电陶瓷·无电场作用时，电畴在晶体中分布杂乱分布，极化相互抵消，呈中性。·施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场越强，电畴转向外电场的越多。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。·外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力

6、时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系：电荷密度：（是压电陶瓷的纵向压电常数）比、大的多，所以压电陶瓷制作的传感器灵敏度高。目前人造晶体逐渐被淘汰压电传感器更多采用压电陶瓷，常用的压电陶瓷是锆酸铅和钛酸钡组成。注：电极化的压电陶瓷受温度影响，又使压电特性减弱。刚刚极化后的压电陶瓷特性不是很稳定，经两三个月才近似常数，经两年后，又会下降，所以此传感器要经常校准修正。6.3压电元件结构形式在实际应用中为提高灵敏度使表面有足够的电荷，常常把两片、四片组成在一起使用。由于压电材料有极性，因此存在连接方法，单片受拉、受压时电荷上的极性不同。双片连接时：按连接，受力时一

7、片受拉，一片受压，晶片上电荷为，负电荷集中在中间，电路并联按接，受力时，正负电荷分别在上、下，中间为中性，正负抵消，电路串联为改善机电耦合性能，两陶瓷片之间用导电胶粘连成用金属薄片胶合在一起。    图6-5压电元件连接方法  6.4等效电路与测量电路6.4.1压电传感器等效电路压电传感器可以看成一个电荷放大器，等效为电荷源：也是一个电容器，等效电量为（S为压电片面积，d压电片厚度）压电元件两侧正