6压电式传感器

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1、第6章压电式传感器压电式传感器的工作原理某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种有源传感器。特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大应用范围：用于各种动态力（压力）、机械冲击与振动测量，广泛应用于声学、医学、力学、宇航等领域。※但不适用于静态参数的测量※2012-3-311一、压电效应正压电效应：★利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷★去掉外力后，电荷消失，状态复原★作用力相反，电荷极性也发生变化机械量压电元件电量逆压电效应（电致伸缩效应）：当在

2、电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。2012-3-312二、压电材料类型：压电晶体(单晶体)如石英晶体压电陶瓷(多晶陶瓷)新型压电材料（压电半导体和有机高分子）主要特性参数压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出的灵敏度弹性系数：材料弹性常数，决定器件的固有频率的动态特性介电常数：固有电容与介电常数有关，影响传感器下限频率机械耦合系数：衡量压电材料机－电能量转换效率的重要参数，等于转换输出能量与输入能量之比的平方根电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性居里点：材料开始丧失压电

3、特性的温度,如石英573°2012-3-3131、石英晶体天然形成的石英晶体外形2012-3-314石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装2012-3-315石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。右图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。特点：1）晶体各个方向的特性不相同2）Z轴（光轴）方向没有压电效应3）X轴（电轴）面压电效应最强4）Y轴（机械轴）方向机械变形最大2012-3-316“纵向压电效应”：沿电轴x方向作用力产生的电荷的压电效应q=dFx11x式中：d11——x方向受力

4、的压电系数2012-3-317“横向压电效应”：沿机械轴y方向作用力产生的电荷的压电效应aq=dFy12yb式中：d12——y方向受力的压电系数，d12=-d11(对称性)；a、b——晶体切片的长度和厚度2012-3-318电荷qx和qy的符号由受拉力还是受压力决定2012-3-319石英晶体压电模型不受力晶体在x方向受力晶体在y方向受力FxxxFyFyyy正常情况下石Fx英体中正负电荷处于平衡，正负电荷产生移动，出现带电现象。外部呈中性。2012-3-3110石英晶体压电模型当石英晶体未受外力作用

5、时,正、负离子正好分布P1在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角P2P3的电偶极矩P、1xP2、P3。如图所示。y2012-3-3111石英晶体压电模型当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶P1体沿x方向将产生压缩变形,正P2P3负离子的相对位置也随之变x动。y2012-3-3112石英晶体压电模型此时正负电荷重心不再重合,P1电偶极矩在x方向上的分量由于P的减小P2P31和P、P的增23x加而不等于零y2012-3-3113石英晶体压电模型------在x轴的正方向出现正电荷,P1电偶极矩

6、在y方向上的分量P2P3仍为零,不出现电荷。xy++++++2012-3-3114石英晶体压电模型------------P1P2P3x++++++++++++y2012-3-3115石英晶体压电模型当晶体受到P1沿y轴方向的压力作用时,P2P3晶体的变形如图所示xy2012-3-3116石英晶体压电模型+++++P1P2P3xy-----2012-3-3117石英晶体压电模型++++++++P增大,P、P112P减小。在3x轴上出现电荷,它的极性P2P3为x轴正向为负电荷。在yx轴方向上不出现电荷

7、。y---------2012-3-3118石英晶体压电模型¢当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。¢当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。¢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。2012-3-31192、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方

8、向,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。2012-3-3120压电陶瓷外形2012-3-3121压电陶瓷—极化处理后的人工多晶铁电体极化前极化时极化后电畴无序排列电畴有序排列电畴基本有序2012-3-3122压电陶瓷•在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。•外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。