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1、第6章压电式传感器压电式传感器的工作原理某种介质材料受力作用变形时，其表面产生电荷（压电效应），从而实现非电量测量。它是一种有源传感器。特点：体积小、质量轻、频响高、信噪比大应用范围：压电式传感器可用于动态力、压力、速度、机械冲击与振动等许多非电量的测量，广泛应用于声学、医学、土木、机械、军工、宇航等等领域。※但不适用于静态参数的测量※1880年居里兄弟研究石英时发现9/16/20211一、压电效应正压电效应：★利用电介质受力变形，内部产生的极化现象，产生电荷★去掉外力后，电荷消失，状态复原★作用力相反，电荷极性也发生变化逆压
2、电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向上施加电场时，这些电介质发生形变。压电元件机械量电量9/16/20212压电晶体压电陶瓷高分子材料石英晶体（SiO2）钛酸钡（BaTiO3）锆钛酸铅（PZT）聚偏二氟乙烯（PVDF）二、压电材料复合压电材料9/16/20213压电材料主要特性参数压电常数：压电效应强弱的参数，关系到压电输出的灵敏度弹性系数：材料弹性常数，决定器件的固有频率的动态特性介电常数：固有电容与介电常数有关，影响传感器下限频率机械耦合系数：衡量压电材料机－电能量转换效率的重要参数，等于转换输出能量与输入能量之比
3、的平方根。电阻：绝缘电阻，可减少电荷泄漏，改善低频特性居里点：材料开始丧失压电特性的温度,如石英573°9/16/20214天然形成的石英晶体外形1、石英晶体9/16/20215天然形成的石英晶体外形9/16/20216石英晶体切片及封装石英晶体薄片双面镀银并封装9/16/20217石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。右图表示了天然结构的石英晶体外形。它是一个正六面体。特点：1）晶体各个方向的特性不相同2）Z轴（光轴）方向没有压电效应3）X轴（电轴）面压电效应最强4）Y轴（机械轴）方向机械变形最大9/16/20218纵向压
4、电效应横向压电效应无压电效应压电系数光轴电轴机械轴电荷Qx和Qy的符号由受拉力还是受压力决定9/16/20219正常情况下石英体中正负电荷处于平衡，外部呈中性。不受力yx晶体在x方向受力晶体在y方向受力正负电荷产生移动，出现带电现象。FyFyFxFx石英晶体压电模型yx9/16/202110P1P2P3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。如图所示。xy石英晶体压电模型9/16/202111P1P2P3当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,晶体沿x方
5、向将产生压缩变形,正负离子的相对位置也随之变动。xy石英晶体压电模型9/16/202112P1P2P3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xy石英晶体压电模型9/16/202113P1P2P3------++++++xy石英晶体压电模型在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。9/16/202114P1P2P3xy石英晶体压电模型------------++++++++++++9/16/202115P1P2P3xy当晶体受到沿y轴方向的压力作用
6、时,晶体的变形如图所示石英晶体压电模型9/16/202116P1P2P3xy石英晶体压电模型-----+++++9/16/202117P1P2P3---------++++++++xyP1增大,P2、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。石英晶体压电模型9/16/202118当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变，输出电压的频率与动态力的频率相同。当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。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
7、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。石英晶体压电模型9/16/2021192、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。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。9/16/202120压电陶瓷及其换能器外形9/16/202121无铅压电陶瓷及其换能器外形9/16/202122压电陶瓷—极化处理后的人工
8、多晶铁电体极化前电畴无序排列极化时电畴有序排列极化后电畴基本有序9/16/202123在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所
