第5章_压电式传感器

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1、第五章压电式传感器压电式传感器是一种电量型传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力的作用下，电介质的表面会产生电荷，从而实现力—电荷的转换。常用来测量压力、应力、加速度等。1.工作原理某些电介质物质，在沿着一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生极性相反的电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转化为电能的现象称为正压电效应。相反地，在电介质物质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形也随之消失，这种将电能转化为机械能的现象称为逆压电效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应，压电

2、效应是可逆的。1.1压电效应图5.1石英晶体石英晶体是最常用的压电晶体。它有三个互相垂直的晶轴：z轴为光轴，没有压电效应；x轴为电轴；y轴为机械轴。图5.2石英晶体的压电效应压电陶瓷是一种多晶铁电体，它是具有电畴结构的压电材料。电畴是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向。在无外电场作用时，各个电畴在晶体中无规则排列，它们的极化效应互相抵消。因此，在原始状态压电陶瓷呈现中性，不具有压电效应。图5.3压电陶瓷的极化为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。极化处理：在一定温度下对压电陶瓷施加强电场，电畴的极化方向发生转动，趋向于外电场的方向，这个方向就是压电陶瓷的极化

3、方向。（100~170℃，20~30KV/cm直流电场）压电陶瓷的极化过程和铁磁物质的磁化过程非常相似。经过极化处理后的压电陶瓷在外界电场去除后，其内部仍会存在着很强的剩余极化强度。当压电陶瓷受到外力作用时，电畴的界限发生移动，因此，剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷将出现压电效应。当石英晶体切片受到沿x轴方向的压缩应力σx作用时，晶片将产生厚度变形，并产生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，垂直于x轴表面上产生的极化强度Px与应力σx成正比，即：1.2石英晶体的压电常数和表面电荷的计算图5.3石英晶体切片极化强度Px等于晶片表面的电荷密度：所以，可见，当晶片受到x轴方向压

4、力时，qx与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。电荷极性如图5.4所示。图5.4石英晶片上电荷极性与受力方向的关系当同一晶片受到沿y轴(机械轴)的作用力Fy时，电荷仍出现在垂直于x轴的表面上，电荷大小为：由于，所以：在x轴方向施加压力时，石英晶体的x轴方向带正电。如果晶片在晶轴x方向受到拉力的作用，则仍在垂直于x轴表面上出现电荷，但极性相反。负号表示沿y轴方向施加的压缩力产生的电荷与沿x轴方向施加的压缩力所产生的电荷极性相反。沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产生的电荷量与晶片的几何尺寸有关。通过适当选择晶片的长度和厚度，可以增加产生的电荷量。当石英晶体受到z轴(光

5、轴)方向应力时，无论是压缩应力，还是拉伸应力，都不会产生电荷。此外，压电晶体除了有纵向和横向压电效应外，在切向应力作用下也会产生电荷。压电陶瓷是一种常见的压电材料，在被极化后才具有压电效应，并具有非常高的压电常数。压电陶瓷的极化方向通常取z轴方向，当压电陶瓷受到z轴方向的力作用时，其极化面上出现正负电荷，其电荷量q与力F成正比，且满足：1.3压电陶瓷的压电常数和表面电荷的计算压电陶瓷的压电系数d的意义与石英晶体相同，但其x轴和y轴是任意选取的，对于x轴和y轴的压电效应是等效的，下标1和2是可以互易的。压电陶瓷一般除了厚度变形、长度变形和剪切变形外，还可以利用体积变形来获

6、得压电效应。2.压电材料压电材料可以分为压电晶体和压电陶瓷两大类。压电晶体为单晶体，压电陶瓷属于多晶体。压电材料的选取一般应从以下特性进行选择：具有较大的压电常数。压电元件的机械强度高、刚度大，有较高的固有振动频率。具有高的电阻率和较大的介电常数，以期减少电荷的泄漏以及外部分布电容的影响。具有较高的居里点。所谓居里点是指压电性能破坏时的温度转变点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。压电材料的压电特性不随时间蜕变，具有较好的时间稳定性。2.1压电晶体压电晶体的种类很多，常用的有以下几种：（1）石英晶体石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几

7、乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电系数和介电常数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，但灵敏度很低，压电系数很小，因此逐渐被其他压电材料所代替。（2）水溶性压电晶体（3）铌酸锂晶体水溶性压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6.4H2O)、硫酸锂(Li2SO4.H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。具有较高的压电灵敏度和介电常数，但由于易于受潮，机械强度低，电阻率低等缺点，只适用于室温和湿度低的环