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1、传感器第章压电式特点: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送器部件压力变送器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
2、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。+++
3、---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。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
4、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
5、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
6、变形形式厚度变形（d11)xyzT1T1+-zxyT2T2+-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量转换的几种基本形式厚度受压型长度受压型厚度切变型平面切变型体积受压型4.2压电材料压电材料分为三大类：压电晶体（石英），压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅）和新型压电材料（压电半导体和高分子压电材料）。选择压电材料的依据：1.转换性能。（具有较大的压电常数）2.机械性能。3.电性能。（高电阻率和大介电常数）4.环境适应性。5.时间稳定性。4.2.1石英晶体的主要性能具有实用价值的压电材料不需要人
7、工极化没有热释电效应（由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应）介电常数、压电常数的温度稳定性好居里点温度达：5730c压电材料开始丧失压电性能的温度性能稳定、机械强度高4.2.2压电陶瓷的压电效应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,从而存在电场。在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们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。压电陶瓷极化处理在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电
