压电式力学量传感器

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1、目录4.1压电式传感器的工作原理4.2压电材料4.3压电式传感器的等效电路4.4压电式传感器的信号调节电路4.5压电式加速度传感器4.6压电式测力传感器1概念：当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等4.1压电式传感器的工作原理压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。2特点：Ⅰ当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；Ⅱ若将外力去掉时，它们又重新回到不带

2、电的状态；Ⅲ晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；Ⅳ如对晶体施加一交流电压，晶体本身将产生机械变形，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）3天然结构的石英晶体（SiO2），它是个六角形晶柱。在直角坐标系中．z轴表示其纵向轴，称为光轴；x轴平行于正六面体的棱线，称为电轴；y轴垂直于正六面体棱面，称为机械轴。通常把沿电轴(x袖)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”；在光轴(z轴)方向受力时则不产生压电效应晶体切片上电荷符号与受力方向的关系4产生压电效应的原因：(1)x轴上受力如果在x轴方向压缩，如

3、图（b）所示，则硅离子1就挤入氧离子2和6之间，而氧离子4就挤入硅离子3和5之间。结果在表面A上呈现负电荷、而在表面B呈现正电荷。如果所受的力为拉伸，则硅离子1和氧离子4向外移，在表面A和B上的电荷符号就与前者正好相反。5产生压电效应的原因：(2)y轴上受力如果沿y轴方向上压缩，如图（c）所示，硅离子3和氧离子2以及硅离子5和氧离子6都向内移动同一数值，故在电极C和D上仍不呈现电荷，而由于相对把硅离子l和氧离子4向外挤，则在A和B表面上分别呈现正电荷与负电荷。若受拉力，则在表面A和B上电荷符号与前者相反。6产生压电效应的原因：（3）在z轴方向受力时在z轴方向受力时，由于硅离子和氧离子是

4、对称平移，故在表面上没有电荷呈现，因而没有压电效应。7压电元件在受到力作用时，就在相应的表面上产生表面电荷。其计算公式如下其中第一个角注i表示晶体的极化方向。当产生电荷的表面垂直于x轴(y轴或z铀)时，记作i＝1(或2或3)。第二个下角注j＝1或2，3和4，5，6，分别表示在沿x轴、y轴、z轴方向作用的单向应力和在垂直于x轴、y轴、z轴的平面内(即yz平面、xz平面、xy平面)作用的剪切力。单向应力的符号规定拉应力为正而压应力为负；剪切力的正号规定为自旋转轴的正向看去使其I、II象限的对角线伸长。压电常数和表面电荷的计算8在垂直于x轴的表面上产生的电荷密度沿x轴方向作用的拉或压应力在y

5、z平面内作用的剪切力沿z轴方向受力作用时不存在压电效应压电常数矩阵9由压电常数矩阵还可以看出，对能量转换有意义的石英晶体变形方式有：厚度变形（简称为TE方式)，如图(a)所示。——纵向压电效应长度变形(简称LE方式）。如图(b)所示。——横向压电效应面剪切变形(简称FS方式)。如图(d)所示。厚度的切变形(简称TS方式)。如图(c)所示。弯曲变形(简称BS方式)。——拉、压应力和剪切应力共同作用体积变形(简称VE方式)。——针对压电陶瓷10选用压电材料应考虑以下几方面：转换性能：具有较大的压电常数；机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的强度高、刚度大、宽的线性范围和高的固有振动频率；

6、电性能；希望具有高的电阻率和大的介电常数，以期减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性；温度和湿度稳定性要好，具有较高的居里点，以期得到较宽的工作温度范围；时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。4.2压电材料概念：压电材料有三类：压电晶体、压电陶瓷、有机压电材料11石英。它是一种天然晶体，现在已有高化学纯度和结构完善的人工合成的石英晶体，压电系数d11＝2.31×10-12C／N。在几百度的温度范围内，压电系数不随温度而变。水熔性压电晶体。属于单斜晶系的有酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵(简称EDT)、酒石酸二钾(简称DKT)，硫酸锂。属于正方晶系的有磷酸二氢钾(简称KDP)、磷酸二氢氨(简称

7、ADP)、砷酸二氢钾(简称KDA)、砷酸二氢氨(简称ADA)。压电晶体12钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷。具有比较高的压电系效(d33＝107×10-12C／N)和介电常数，机械强度不及石英。锆钛酸铅系压电陶瓷(PZT)．压电系数较高(d33＝(200-500)×-12C／N)，各项机电参数随温度、时间等外界条件的变化小，在锆钛酸铅的基方中添加一二种微量元素，如La、Nb、Sb、Sn、Mn、W等，可以获得不同性能的PZT材料。铌酸盐系压电陶瓷。