最新传感器原理与应用重点教学讲义PPT课件.ppt

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1、传感器原理与应用重点5.1压电效应某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。图5-1正（顺）压电效应示意图F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一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。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“

2、电致伸缩效应”。图5-2压电效应的可逆性逆压电效应电能机械能正压电效应常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。5.1.2石英晶体的压电效应在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于

3、六棱柱体的棱面)称为机械轴。如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。图５-４是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。图中“＋”代表硅离子Si4+，“－”代

4、表氧离子O2-。2.石英晶体产生压电效应的微观机理图5-4硅氧离子的排列示意图(a)xy(b)+xy++---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5-5（a）所示。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因为P=qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1+P2+P3＝0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0当晶体受到沿x方向的压力（Fx<0）作用时，晶体沿x方向将

5、产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化，如图5-5（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩P1减小，P2、P3增大，它们在x方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--当晶体受到沿x方向的拉力（Fx＞0）作用时，其变化情况如图5-5（c）所示。电偶极矩P1增大，P2、P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1++

6、+--+----可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx作用时，它在x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轴方向受力Fy作用下的情况与Fx相似。当Fy＞0时，晶体的形变与图5-5（b）相似；当Fy＜0时，则与图5-5（c）相似。由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿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，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz作用下，晶体不产生压电效应。3.作用力与电荷的关系

7、（a）yxzOxazybc（b）若从晶体上沿y方向切下一块如图5-6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力σx时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力σx成正比。即：d11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；b、c——石英晶片的长度和宽度。而P11在数值上等于晶面上的电荷密度将以上两式联立，得(5-3)(5-2)(5-1)反之，若沿x方向对晶片施加电场，电场强度大小为Ex。根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸缩，即：Δa=d11Ux(5-4)也可用相对应