压电式传感器11

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1、压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料(石英晶体和压电陶瓷）的压电效应。是双向传感器。实现力与电荷的双向转换。第六章压电式传感器可测与力相关的物理量，如各种动态力、机械冲击与振动。在声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。缺点是无静态输出，要求有很高的电输出阻抗。需用低电容的低噪声电缆。第一节压电效应一、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

2、，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。这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生变形,这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。可将电能转换为机械能。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机—电能量的相互转换。压电效应_y逆压电效应+在自然界中大多数晶体具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电效应表达式d--压电系数；F－外作用力为了使用方

3、便，常用压电应变常数，则有物理意义：在短路条件下，单位应力所产生的电荷密度第二节压电材料明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。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的灵敏度。（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:在压

4、电效应中,其值等于转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平方根;它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）居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。1、单晶体石英晶体是单晶体结构。它是一个正六面体，有右旋和左旋晶体之分，外形互为镜像对称。石英晶体各个方向的特性是不同的。在直角坐标系中，它有三个轴。电轴（X轴）：平行于相邻柱面内夹角的等分线棱线，垂直于此轴面上的压电效应最强。机械轴（Y轴）：垂直

5、于棱柱面。在电场（沿X向作用下，沿该轴方向的机械变形最大。）光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过石英晶体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象。结论：通常把沿电轴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方向受力时不产生压电效应。2、力与电荷的关系若从晶体上沿y方向切下一块如图所示晶片,当在电轴方向施加作用力时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷,其大小为qx=d11fx式中:d11——x方向受力的

6、压电系数;fx——作用力产生的电荷与几何尺寸无关。纵向压电效应。沿机械轴y方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qx,其大小为式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=－d11;l、h——晶体切片长度和厚度。产生的电荷与几何尺寸有关。压电效应为横向压电效应。3、压电效应的物理解释石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子,6个氧离子O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。垂直于X轴端面有无数个此分子结构。（1）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

7、三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图a所示。P1+P2+P3=0。正负电荷中心重合，晶体垂直X轴表面不产生电荷。呈中性。（2）受x轴方向的压力作用时,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。如图（b）所示,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P1的减小和P2、P3的增加而不等于零,即（P1+P2+P3）<0。在x轴的正方向出现负电荷,电偶极矩在y方向上的分量仍为零,不出现电荷。（3）受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图（c）所示，P1增大,P

8、2、P3减小。在垂直于x轴正方向出现正电荷,在y轴方向上不出现电荷。石英最明显的优点是它的介电和压电常数的温度稳定性好，适于做工作温度范围很宽的传感器。石英晶体的机械强度很高，可用来测量大量程的力和加速度。天然石英的稳定性很好，但资源少并且大多存在一些缺陷。故—般只用在校准用的标准传感器或精度很高的传感器中。2.多晶体的压电特性（1）压电陶瓷的极化①未加电场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,它有一定的极化方向,从而存