[工学]第五章压电式传感器

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1、第五章压电式传感器一．压电效应和逆压电效应某些晶体电介质材料，在一定方向上对其施加外力使之变形，在其表面将产生电荷，去掉外力，电荷消失；反之，在其表面施加电场，将产生机械变形。二．压电材料压电晶体压电半导体压电陶瓷有机高分子压电材料压电晶体高分子压电材料压电陶瓷压电材料的主要特性参数有：①压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出灵敏度。②弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。③介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。④机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，转换

2、输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根，这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。⑤电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。⑥居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。19世纪末，著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性，就是当磁石加热到一定温度时，原来的磁性就会消失。后来，人们把这个温度叫“居里点“。以石英晶体为例，石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。下图表示了天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。三、工作原理石英晶体各个方向的特性是不同的。纵向轴z称为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与x

3、和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。把沿电轴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方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。xzy光轴机械轴电轴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,P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生压缩变形,硅离子1被挤入氧离子2和6之间，而氧离子4被挤入硅离子3和5之间，结果表面A上呈现负电荷，而在表面B上呈现正电荷。正负电荷重心不

4、再重合,在x轴的方向出现电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。——————当受y轴方向的压力时,硅离子3和氧离子2，及硅离子5和氧离子6都向内移动同样的数值，故在电极C和D上不呈现电荷，而在表面A和B上，即在x轴的端面上又呈现电荷，但与图(b)的极性正好相反。如果沿z轴方向施加作用力,因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同,所以正负电荷重心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力,晶体不会产生压电效应。从研究的模型同样可以看出：如果是使其伸长而不是压缩时，则电荷的极性正好相反。总之，石英等单晶体材料是各向异性的物体，在x或y轴向施力时，在与x轴垂直

5、的面上产生电荷，电场方向与x轴平行，在z轴方向施力时，不能产生压电效应。①纵向效应：②横向效应：③切向效应：xyFx++++------FxxyFy+++++-------Fy+++++-------FyFy四、压电式传感器压电式传感器的基本原理：压电材料的压电效应，即当有力作用在压电材料上时，传感器就有电荷（或电压）输出。由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，以供给测量回路一定的电流，故适用于动态测量。为灵敏度，常用两片同型

6、号压电元件粘结在一起。两种接法：相同极性端粘结：负端粘结在一起，中间插入的金属电极为负极，正电极在两边的电极上。类似电容的并联。外力作用下正负电极上的电荷量增加了1倍，电容量也增加了1倍，输出电压与单片时相同。不同极性端粘结：类似两个电容的串联的，两压电片中间粘接处正负电荷中和，上、下极板的电荷量与单片时相同，总电容量为单片的一半，输出电压增大了1倍。图6-5压电元件连接方式(a)相同极性端粘结；(b)不同极性端粘结在上述两种接法中，并联接法输出电荷大，本身电容大，时间常数大，适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。而串联接法输出电压大，本身电容小，适宜用于以电压作输出信号，并

7、且测量电路输入阻抗很高的场合。压电式传感器中的压电元件，按其受力和变形方式不同，大致有厚度变形、长度变形、体积变形和厚度剪切变形等几种形式，如下图所示。目前最常使用的是厚度变形的压缩式和剪切变形的剪切式两种。压电元件变形方式厚度变形(TE);(b)长度变形(LE)；(c)体积变形(VE)；面切变形(FS)；(e)剪切变形(TS)压电式传感器在测量低压力时线性度不好，这主要是传感器受力系统中力传递系数为非线性所致，即低压力下力的传递损失较大。为此