传感器原理8压电式传感器

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1、第八章压电式传感器压电效应压电材料压电传感器的等效电路与测量线路压电式传感器：加速度传感器力传感器压力传感器压电式传感器的误差分析研究内容：7/25/20211§8.1压电效应顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内部出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应--驱动器。FF

2、极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性7/25/20212压电传感器的特点1）磁电式速度传感器响应频率范围窄；2）磁电式机械运动部件容易损坏；3）磁电式传感器质量大，造成系统附加质量大。与磁电式传感器的比较：力敏感传感器，可测力、压力、加速度等双向有源传感器体积小、重量轻结构简单、工作可靠频带宽7/25/20213各种小巧的压力传感器压电传感器的外形压力变送器部件压力变送器7/25/20214一、石英晶体（SiO2)的压电效应特点：石英晶体是各向异性晶体晶体分右（左）旋外形规则xyz7/25/20215石英晶

3、体的三个晶轴光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。机械轴（Y轴）：垂直于XZ面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。7/25/20216石英晶体压电效应机理电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。2O2-Si4+L7/25/20217+++---XYP1P2P3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。此时正负电荷重心重合,电偶极矩的矢量和

4、等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。7/25/20218受到X方向的力—纵向压电效应+++---XYP1P2P3晶体沿x方向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。此时正负电荷重心不再重合。电偶极矩在x方向上的分量由于P3的减小和P1、P2的增加而不等于零,在x轴的正方向出现正电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。7/25/20219受到Y方向的力—横向压电效应+++---XYP1P2P3当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P3增大,P1、P2减小。

5、在垂直x轴表面上出现电荷,它的极性为：x轴正向为负。在y轴方向上不出现电荷。当作用力方向相反时,电荷的极性也随之改变。7/25/202110受到Z方向的力—没有压电效应产生+++---XYP1P2P3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。7/25/202111受到三向等压力—没有压电效应产生+++---XYP1P2P3如果沿x、y、z轴方向施加相同的作用力,只有体积变化，没有形变，正负电荷重心保持重合,电

6、偶极矩矢量和等于零，晶体不会产生压电效应，即没有体积变形的压电效应。7/25/202112二、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。如BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3。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。7/25/202113压电陶瓷极化处理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

7、更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向变化不大,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。E7/25/202114压电效应演示7/25/202115三、压电常数和表面电荷计算1、压电效应的表达式：σj:j方向的应力dij:j方向的力使得i面产生电荷的压电常数ij:j方向的力在i面产生的电荷密度电荷量：面积7/25/202116x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶体的

8、极化方向，即在i面上产生电荷。1、2、3分别表示垂直于x、y、z轴的晶片表面j(j=1,2,3,4,5,6):1，2，3表示沿x,y,z方向作用的单向正应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切