第6章+压电式传感器课件

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1、第6章压电式传感器压电式传感器是一种以压电材料的压电效应为基础能够将非电量转换成电量的传感器。因为压电效应可输出电荷，压电式传感器也称有源传感器或发电式传感器，又因为压电效应具有正压电、逆压电两种效应，也称双向传感器。压电传感器尺寸小，质量轻，工作频率宽，可测量变化很快的动态压力、加速度和振动等。1压电式传感器的工作原理压电式传感器的等效电路和测量电路压电式传感器的应用:了解压电式测力传感器、压电式加速度传感器要求掌握压电式传感器的工作原理，能够分析测量电路原理，熟悉压电式传感器应用的原理分析压电效应、压电材料压电式传感器等效电路、测量电路本章主要内容：26.1压电效应及工作原理某些离

2、子型晶体的电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，就会引起内部正负电荷中心相对转移，产生极化现象，在它的两个表面上出现符号相反的束缚电荷。当外力去掉后，极化现象消失，又重新恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。通常把这种机械能转换为电能的现象，称为“正压电效应”。无极分子有极分子无极分子有极分子力F力F1.压电效应：3当在电介质极化方向施加电场，会引起电介质内部电荷中心转移，而导致电介质在一定方向上产生机械变形。当外电场消失后，

3、这些变形也随之消失。这种现象称为“逆压电效应”（或称电致伸缩效应）。无外加电场无极分子有极分子有外加电场E无极分子有极分子2.逆压电效应：4因此，压电材料能实现机—电能量的相互转换，不需要外界辅助电源，是一种典型的有源传感器。图6-1压电效应可逆性正压电效应逆压电效应53、压电材料具有压电效应的材料就称为压电材料。在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱不能应用。常见的性能优良的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电

4、陶瓷。压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)；多晶体压电陶瓷（人造陶瓷）有钛酸钡（BaTiO3)压电陶瓷、锆钛酸铅(Pb(ZrTi)O3)系压电陶瓷等。下面以石英晶体和压电陶瓷为例说明压电效应。6如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。6.1.1石英晶体的压电效应7天然形成的石英晶体外形8石英晶体各个方向的特性是不同。为了表示晶体方向性，晶体学中常用笛卡尔坐标系，即用三根相互垂直的轴来表示。其中纵轴z轴，通过正六面体棱线，也称为光轴，x轴，为经过六面体棱线并垂直于光轴的方向。因为沿x轴的力作用下压电效应最强最明显，所以x轴也称为电轴，y轴，与x-x和

5、z-z轴同时垂直的轴。因为电场作用下，沿此轴方向机械变形最明显，故也称为机械轴。9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。图6-2石英晶体(b)切割方向；(c)晶片10图6-3是一个单元组体组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在xy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-。石英晶体产生压电效应的微观机理硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在x-y平米昂上的投影(b

6、)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。11下面讨论石英晶体在外力作用时晶格的变化情况。（1）当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即如图6-3（a）所示。图6-3石英晶体晶格分布(a)12（2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力时，晶体沿x轴方向收缩变形，正负离子相对位置随之发生变化，如图6-3（b）所示，此时正负离子中心不重合，P1减小，P2，P3增加，电偶极矩在三个方向的分量为:在x轴正方向出现正电荷，y、z方向不出现电荷图6-

7、3石英晶体晶格分布(b)13（3）当石英晶体受到沿x轴方向的拉力时，晶体沿x轴方向拉伸变形，正负离子相对位置也随之发生变化，如图6-3（C）所示，此时正负离子中心也不重合，P1增大，P2、P3减小，电偶极矩在三个方向的分量为在x轴正方向出现负电荷，yz方向不出现电荷由此可见，当晶体受到x轴方向的作用力时，它都在X轴方向产生正压电效应，在y、Z轴不产生压电效应。图6-3石英晶体晶格分布14（4）当石英晶体沿y轴方向受到Fy作用的情况与Fx作用相似