第7章-压电式传感器 ppt课件.ppt

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1、第七章压电式传感器第七章压电式传感器压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，即将力的变化转换成电压或电流的变化信号。它是一种典型的有源传感器（或发电型传感器）。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。§7-1压电效应某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将机械能转变为电能的现象，称为“顺压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象，称为

2、“逆压电效应”。具有压电效应的电介物质称为压电材料。具有压电效应的物质很多，如天然形成的石英晶体，人工制造的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅等。压电效应FF极化面Q压电介质机械能｛电能｝正压电效应逆压电效应压电效应及可逆性一、石英晶体的压电效应石英晶体有天然和人造石英单晶两种。石英晶体属六方晶系，是一个正六面体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶体学中用三根互相垂直的轴Z、X、Y表示它的坐标。Z轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。X轴为电轴（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显

3、然X轴共有三个。Y轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。石英晶体的晶轴−++−−+YXp3p1p2（a）YX+−++−−p1p2p3−−−−Fx++++Fx（b）YX−−−−Fy++++Fy+−++−−p1p2p3（c）现将组成石英（SiO2）晶体的硅离子和氧离子的排列在垂直于晶体Z轴的xy平面上进行投影，等效为正六边形排列。图中“”代表Si4+，“”代表2O2−。+−当石英晶体未受力作用时，正、负离子（即Si4+和2O2−）正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等，互成120°夹角的电偶极矩p1、p2和p3（p=ql，q

4、为电荷量，l为正、负电荷之间的距离）。电偶极矩的矢量和等于零，即，这时晶体表面不产生电荷，石英晶体从整体上呈电中性。（见图a）−++−−+YXp3p1p2图（a）YX+−++−−p1p2p3−−−−Fx++++Fx图（b）当石英晶体受到沿X方向的压缩力作用时，晶体沿X方向产生压缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X轴方向的分量，，在X轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。而在Y轴和Z轴方向的分量均为零。在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。这种沿X轴作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象，称为“纵向压电效应”。（见图b）YX−−−−F

5、y++++Fy+−++−−p1p2p3图（c）当石英晶体受到沿Y轴方向的压缩力作用时，电偶极矩在X轴方向的分量，在X轴的正方向的晶体表面上出现负电荷。（这种情况等同于沿X轴方向的拉力作用），同样在垂直于Y轴和Z轴的晶面上不出现电荷。这种沿Y轴作用力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，称为“横向压电效应。”（见图c）。当晶体受到沿Z轴方向的力（无论是压缩力或拉伸力）作用时，因为石英晶体在X轴方向和Y方向的变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在X、Y方向的分量等于零。所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生压电效应。当作用力Fx或Fy的方向相反时，电荷的极性随之

6、改变。如果石英晶体的各个方向同时受到均等的作用力（如液体压力），石英晶体将保持电中性。所以石英晶体没有体积变形的压电效应。二、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料。它由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排列的。在无外电场作用时，从整体来看，这些电畴的极化效应被互相抵消，使原始的压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。未极化的电畴为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。所谓极化处理，就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如20～30kv/cm直流电场），经过2～3小时以后，压电陶瓷就具备压电性能了，这是因为陶瓷内部的电

7、畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向，这个方向就是压电陶瓷的极化方向，通常取z轴方向。经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈现出压电效应。电场方向电极化处理后的电畴三、压电常数和表面电荷的计算1、石英晶体的压电常数和表面电荷的计算从石英晶体上切一片平行六面体—晶体切片，使它的晶面分别平行于x、y、z轴。btl1zxyT1（1）当晶片受到x方向压缩应力T1(N/m2)作用时，晶片将产生厚度变