第5章+压电式传感器+

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1、传感器原理及应用PrincipleandApplicationofSensors第5章压电式传感器PiezoelectricSensors概述压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等，但不能用于静态参数的测量。压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳

2、定性高。正压电效应（顺压电效应）某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。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。5.1压电效应(Piezoelectric-effect)压电效应演示逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这

3、些变形或应力也随之消失的现象。电能机械能正压电效应逆压电效应压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述，为：式中，qi—i面上的电荷密度(C／cm2)；Qi—i面上的总电荷量（C）；j—j方向的应力(N／cm2)；Fj—j方向的作用力；dij—压电常数(C／N)，(i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6)。压电方程中两个下标的含义如下：下标i表示晶体的极化方向，当产生电荷的表面垂于x轴(y轴或z轴)时，记i=1(或2，3)。下标j=1或2，3，4，5，6，分别表示沿x轴、y轴、z轴

4、方向的单向应力，和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面（即yz平面、zx平面、xy平面）内作用的剪切力。单向应力的符号规定拉应力为正，压应力为负；剪切力的符号用右螺旋定则确定，如图中表示的方向。此外，还需要对因逆压电效应在晶体内产生的电场方向也作一规定，以确定dij的符号，使得方程组具有更普遍的意义。当电场方向指向晶轴的正向时为正，反之为负。晶体在任意受力状态下所产生的表面电荷密度可由下列方程组决定：式中，q1、q2、q3－垂直于x轴、y轴、z轴的平面上的电荷面密度；1、2、3—沿着x轴、y轴、

5、z轴的单向应力；4、5、6—垂直于x轴、y轴、z轴的平面内的剪切应力；dij(i＝1，2，3，j＝1，2，3，4，5，6)—压电常数。天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴(electricalaxis)；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。ZXY(a)(b)(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系ZYX通常把沿电轴X－X方向的力作用下产生

6、电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y－Y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z－Z方向受力则不产生压电效应。5.2压电材料和它的主要特性5.2.1石英晶体1．石英晶体的压电效应压电材料包括：压电晶体和压电陶瓷前者为晶体；后者为激化后的多晶石英晶体天然形成的石英晶体外形从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。ZYXbl石英晶体切片h双面镀银并封装在晶体线性弹性范围内，

7、极化强度PX与应力σX成正比，即式中,FX——X轴方向的作用力；d11——压电系数，当受力方向和变形不同时，压电系数也不同，石英晶体d11=2.3×10-12CN-1；l、b——石英晶片的长度和宽度。当晶片受到沿X轴方向的压缩应力σX作用时，晶片将产生厚度变形,即纵向压电效应（Thicknessexpansion)，并发生极化现象。式中qX——垂直于X轴平面上的电荷。极化强度PX在数值上等于晶面上的电荷密度，即将上两式整理，得式中——电极面间电容。其极间电压为根据逆压电效应，如在X轴方向上施加强

8、度为EX的电场，晶体在X轴方向将产生伸缩，即：Δt=d11UX或用应变表示，则综上所述，在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反，见图(a)、(b)。FXFX++++－－－－－－－－++++(a)(b)XX注：按前述坐标系为左旋石英晶体，右旋石英晶体的结构与左旋石英晶体成镜像对称，压电效果极性相反。如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向，则为横向压电效应（Transverseexpansion)，其电荷仍在与X