《压电传感器》PPT课件

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1、压电式传感器引文：该传感器是一种典型的有源传感器，利用某些介质在外力的作用下，在电介质的的表面产生电荷，从而实现非电量的测量第四节压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、

2、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。一、压电效应正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。正压电效应电能机械能逆压电效应（一）石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面

3、体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示，其中纵向轴Z－Z称为光轴；经过正六面体棱线，并垂直于光轴的X－X轴称为电轴；与X－X轴和Z－Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴。Z通常把沿电轴X－X方向的Z力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应Y”，而把沿机械轴Y－Y方YX向的力作用下产生电荷的X压电效应称为“横向压电(a)(b)效应”，沿光轴Z－Z方向石英晶体受力则不产生压电效应。(a)理想石英晶体的外形(b)坐标系石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平

4、面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列，图中“＋”代表Si4+，“－”代表2O2-。YY-+XX+--+(a)(b)硅氧离子的排列示意图(a)硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影当作用力FX=0时，正、负离子Y（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形-+顶角上，形成三个互成120º夹角的偶P1P3X+-极矩P、P、P，如图（a）所示。此123P2时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢-+量和等于零，即(a)FX=0P＋P＋P＝0123当晶体受到沿X方向的压力（F<0）作用时，晶体

5、沿XX方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P+P+P)>0FY123XXFX在Y、Z方向上的分量为－-++（P+P+P）=0（P+P+P）=0－P1P3+X123Y123Z+-由上式看出，在X轴的正向出现正电－+P2荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。－-++(b)FX<0当晶体受到沿X方向的拉力（F＞0）作用时，其变化X情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为YFFX（P1+P2+P3）X<0X+-+－（P1+P2+P3）Y=0+PP3－1(c)FX>0

6、+-X（P1+P2+P3）Z=0+P2－+-+－在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力F作用时，它在XX方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。晶体在Y轴方向力F作用下的情况与F相似。当F＞0YXY时，晶体的形变与图（b）相似；当F＜0时，则与图Y（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力F作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向Y则不产生压电效应。晶体在Z轴方向力F的作用下，因为晶体沿X方向和Z沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，

7、电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴)方向的力F作用下，晶体不产生压电效应。Z假设从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。当晶片受到沿X轴方向Zt的压缩应力σ作用时，晶XX片将产生厚度变形，并发X生极化现象。在晶体线性Y弹性范围内，极化强度PXX与应力σ成正比，即bXXl石英晶体切片FXPddXX11XX11lb式中:XX——X轴方向的压缩应力；d——压电系数，11F——X轴方向的施加的压力；X当受力方向和变形不同时，压电

8、系数也不同，石英晶体d=2.3×10-12CN-1；11l、b——石英晶片的长度和宽度。极化强度P在数值上等于晶面上的电荷密度，即XXqXPXXlb式中qX——垂直于X轴平面上的电荷。FXPddXX11XX11lb极化强度P在数值上等于晶面