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1、主要内容1.压电效应2.压电材料3.压电式传感器测量电路4.压电式传感器的应用压电式传感器是应用正压电效应将非电量转换成电量的一种传感器。材料受力变形时，其表面会有电荷产生而实现非电量测量。压电式传感器本身具有转换能量，是一种典型的有源传感器;又称为发电式传感器。压电效应具有正压电、逆压电两种效应，具有可逆性，是一种典型的”双向传感器”。特点:工作频带宽，灵敏度高，结构简单，体积小，重量轻，工作可靠。应用范围：各种动态力、机械冲击、振动测量、生物医学、超声、通信、宇航等领域。压电加速度计压电陶瓷超声换能器各种小巧的压力传感器压电传感器的外形压力变
2、送器部件压力变送器压电警号压电陶瓷位移器压电秤重浮游计4.1压电效应正(顺)压电效应：一些电介质，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。FF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压电元件机械能电能自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱
3、，研究发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。压电晶片按特定方向切片人工合成水晶外形结构石英晶体的理想外形4.1.1石英晶体的压电效应光轴（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。机械轴（Y轴）：垂直xz面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。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。沿x方向施加压力时，右旋石英的x轴正向带正电，左旋石英的x轴正向带负电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
4、荷重心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。电偶极矩P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。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。+++---XYP1P2P3当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,P1增大,P3、P2减小。在垂直x轴表面上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。
5、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。+++---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。4.1.2压电传感器的工作原理1.正压电效应工作原理晶体受到x方向的压力Fx作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。由极化理论，在晶体线性范围内，极化强度与应力成正比，即极化强度在数值上等于晶体面上的电荷密度其极间电压为tbac2.逆压电效应工作原理在Ux的作用下，晶片沿X轴方向将产
6、生伸缩，即3.正压电效应的极化电荷方向1)在x轴方向上施加压缩力时，右旋石英晶体，在x轴正向出现正电荷。2）在x轴方向施加拉伸力时，在垂直于x轴的平面上仍会出现等量电荷，但极性相反。3）在同一晶片上沿y轴方向作用力，其电荷仍在与x轴垂直的平面上出现。由上述可知：1)无论是正压电效应还是逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间成线性关系；2）晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应。3）石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应。tbac压电元件在受到力作用时，在相应的表面上产生表面电荷其计算公式为：σ:单位面积上的作
7、用力dij:压电常数q:电荷密度x(1)y(2)z(3)i(i=1,2,3):表示晶体的极化方向，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方向作用的单向应力；4，5，6表示在yz,zx,xy平面上承受的剪切应力X0°切型石英晶体切片的力——电分布xzF3(σ1)F2F1F4F6F5(σ3)(σ2)(1)(3)(2)i=1、2、3j=1、2、3、4、5、6y压电常数矩阵石英晶体压电常数矩阵4.1.3石英晶体的基本变形形式厚度变形（d11)xyzT1T1+-zxyT
8、2T2+-长度变形（d12)面剪切变形厚度剪切变形x(y)y(x)zT1T4(T5)+-T4(T5)xyzT6T6+-体积变形压电效应能
