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1、第6章压电式传感器等效电路及测量电路1.2第6章压电式传感器压电效应及材料6.16.26.3压电传感器的应用第一节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,其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）,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。这种机械能转换为电能的现象,称为“正压电效应”。压电效应当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生机械变形；在撤掉外加电场时，机械变形也随之消失。这种电能转换为机械能的现象
2、,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。石英晶体的压电效应石英晶体是属于六角晶系，有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力Fx时，晶片将产生厚度变形，并在垂直于X轴的表面上产生电荷Qx，大小为极间电压为式中:d11——x方向受力的压电系数；Cx——晶片电容当晶片受到X向的压力作用
3、时，Qx与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关。如果作用力Fx改为拉力时，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应。当沿着y轴对压电晶片施加力Fy时，晶片将产生长度变形，电荷Qy仍然出现在于X轴垂直的表面上，大小为式中:d12—y方向受力的压电系数，根据轴对称条件，d12=-d11当晶片受到y向的压力作用时，Qy与晶片的几何尺寸有关。把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。当沿光轴方向对石英晶体施加作用力Fz时，晶体表面没有电荷出现。压电效应的物
4、理解释石英晶体SiO2，3个硅离子Si4+离子,6个氧离子O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。垂直于X轴端面有无数个此分子结构。（1）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a所示。P1+P2+P3=0。正负电荷中心重合，晶体垂直X轴表面不产生电荷。呈中性。（2）受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,即（P1+P2+P3）<0。在x轴方向出现电荷,在y
5、轴和z轴方向上不出现电荷。（3）受到沿y轴方向的压力作用时,晶体的变形如图所示，电偶极矩在x方向上的分量,即（P1+P2+P3）>0。当晶体沿y方向受到作用力时，电荷将出现在x轴方向上,在y轴和z轴方向上不出现电荷。（4）当晶体在z方向受到外力时，晶体在x轴和y轴方向上的变形相同，正负电荷中心重合。因此沿z轴方向施加外力时，压电晶体不产生压电效应。石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。晶片受力方向与电荷极性的关系+++++(a)Fxx-----Fx(b)x+++++-----xFy(c)+++++-----Fy(d)x++++
6、+-----①当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关；②沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的；④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；⑤无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系。压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性。在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自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
7、性质。a)极化前b)极化c)极化后压电陶瓷的压电效应由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等。所以整体上表现为电中性。－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋自由电荷束缚电荷电极电极极化方向陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图，陶瓷片将产生压缩形变，片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此
8、，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，片内的正、负电荷之＋＋＋＋＋－－－－－－－－－－＋＋＋＋＋极化方向正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况
