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1、6.1压电效应及压电材料6.2压电传感器测量电路6.3压电式传感器的应用第6章压电式传感器返回主目录第6章压电式传感器压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应,是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时,其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小#,重量轻#,工作频带宽等特点,因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量,以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。6.1压电效应及压电材料某些电介质,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,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
2、带电状态，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。有时人们把这种机械能转为电能的现象,称为“正压电效应”。相反,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）。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,如图6-1所示。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
3、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。一、石英晶体石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图6-2（a）表示了天然结构的
4、石英晶体外形。它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴,与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。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。若从晶体上沿y方向切下一块如图6-2（c）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(6-1)式中:d11——x方向受力的压电系数;fx——作用力。若在同一切片上,沿机械轴y
5、方向施加作用力fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为qy=d12fya/b（6-2）式中:d12——y轴方向受力的压电系数,d12=-d11;a、b——晶体切片长度和厚度。电荷qx和qy的符号由所受力的性质决定。石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。图中“”代表Si4+离子,“”代表氧离子O2-。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。如图6-3（a）所示
6、。因为P=qL,q为电荷量,L为正负电荷之间距离。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。当石英晶体受到沿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6-3（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）x>0。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。当晶体受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图6-3（c）所示,与图6-3（b）情况相似,P1增大,P2、
7、P3减小。在x轴上出现电荷,它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。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。当作用力Fx、Fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。二、压电陶瓷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
