医用传感器压电式传感器

《医用传感器压电式传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第6章压电式传感器等效电路及测量电路1.2第6章压电式传感器压电效应及材料6.16.26.3压电传感器的应用第一节压电效应某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷,当外力去掉后,其又重新恢复到不带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。这种机械能转换为电能的现象,称为“正压电效应”。压电效应压电效应--定义某些电介质（晶体），当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重

2、新恢复不带电状态，这种现象称压电效应。压电效应--分类正压电效应：当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，常把这种机械能转换为电能的现象称正压电效应（或顺压电效应）。逆压电效应：当在电介质极化方向上施加电场，这些电介质也会在产生几何变形，当外加电场撤去时，这些变形也随之消失，这种将电能转化成机械能的现象称逆压电效应（或称电致伸缩效应）。压电效应具有可逆性，利用这一特性可以实现机械能和电能的相互转换。压电效应--特性压电元件机械能电能逆压电效应正压电效应压电晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；新型压电材料：压电半导体(如硫化锌、碲化镉等)高分子压电材料。

3、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压电材料--分类分类具有压电效应的材料称为压电材料。石英是单晶体，具有规则的几何外形，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。二、石英晶体Z轴(光轴），是晶体的对称轴，用光学方法确定，作为基准轴。X轴(电轴)，经过正六棱柱相对的两个棱线，且垂直于光轴，该轴压电效应最显著。Y轴(机械轴)，垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。石英晶体压电效应机理石英晶体：SiO2代表硅离子Si4++“”代表硅离子2O2–_“”当石英晶体没有受到外力作用时：正负电荷中心重合晶体表面不产生电荷，呈电中性。1.当石英晶体在X轴

4、方向上受到压力时：结果：A面上呈现负电荷B面上呈现正电荷这种沿X轴施加力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，就是“纵向压电效应”。2.当石英晶体在Y轴方向上受到压力时：结果：A面上呈现正电荷B面上呈现负电荷这种沿Y轴施加力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，就是“横向压电效应”。3.当石英晶体在Z轴方向上受到压力时：正负电荷始终中心重合，所以晶体表面无电荷产生。沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。纵向压电效应横向压电效应表面电荷的计算问题有一石英晶体，其长度为5mm，宽度为4mm，厚度为10mm，当受到压力P=10MPa作用时，求在纵向压电效应的压缩

5、力作用下产生的电荷量。（d=2.31PC/N）xbzyacxbzyac当沿X轴施加作用力时，晶片产生厚度变形，并在与x轴垂直的平面上产生电荷，且电荷密度与应力成正比：——x轴方向受力的压电系数；xbzyac沿y轴施加作用力时，晶片产生长度变形，并在与x轴垂直的平面上产生电荷，且电荷密度与应力成正比：——y轴方向受力的压电系数；晶片厚度结论：①当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷与几何尺寸有关；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；④晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存

6、在逆压电效应；⑤无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷之间皆呈线性关系。压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷（如BaTiO3等）。压电陶瓷产品压电陶瓷的压电效应压电陶瓷：属于铁电体一类的物质,是人工制造的多晶体压电材料,具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构电畴:分子自发形成的区域,有一定的极化方向,从而存电场①未加电场∴原始的压电陶瓷内呈中性不具有压电性质。在无电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布它们

7、的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自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。a)极化前b)极化c)极化后②加电场施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。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。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度，即极化方向都整齐地与外电场方向一致，当外电场去掉后电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大。∴压电陶瓷极化后具有