压电式传感器.ppt

▪ 6.1.2 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，压电机理与压电晶 体不同。它是以钛酸钡（BaTiO3）锆钛酸铅Pb（Zr·Ti）O3 等为基本成分，通过粉碎、成型，1000℃以上烧结得到多晶 体。材料内部的晶粒有许多自发极化无规则排列的电畴，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，它们各自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。
如果沿z轴方向施加作用力时，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 受力时，无压电效应。同样，在各个方向作 用大小相等的力，使体积变形时，也无压电 效应。 当X轴或Y轴方向受到拉力作用时，产生电荷 的极性正好相反。
沿光轴受力则不产生压电效应 。
▪ 6.1.1 石英晶体的压电效应
电偶极距：p
ql
方向由负电荷指向正电荷。
图6-3 石英晶体压电效应示意图
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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
（a）所示。
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。
晶体受外力作用会产生变形，正六边形边长（键长）不变，而夹 角（键角）改变。 当晶体受到沿X方向的压力（F x < 0）作用时，晶体沿X方向将产 生收缩，正、负离子的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 合偶极距方向向上，在X轴正向的晶 体表面出现正电荷，反向出现负电荷。 在Y、Z方向上的分量为:
(P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0 电偶极距在Y、Z轴方向分量为零，无 电荷出现。
6.1.1 石英晶体的压电效应
▪ 晶体沿Y轴方向施加压力时，见图（c）。p1增大，p2、p3减小，合偶极距向 下，因此上表面为负电荷，下表面为正电荷，同理在Y、Z方向不产生压电 效应，无电荷出现。
极化方向定为Z轴，垂直于Z轴的平面上任何直线都可作为X 或Y轴 铁电体参数会随时间发生变化，即老化，铁电体老化将使压 电效应减弱。
▪ 6.1.3 高分子材料的压电效应
▪ 高分子材料属于有机分子半结 晶或结晶的聚合物，其压电效 应比较复杂。高分子材料经机 械滚压和拉伸会成为薄膜，薄 膜经延展拉伸和电场极化后， 具有一定的压电性能，这类薄 膜称为高分子压电薄膜。目前 出现的压电薄膜有聚二氟乙烯 PVF2、聚氟乙烯PVF、聚氯乙 烯PVC、聚γ甲基-L谷氨酸脂 PMG等。高分子压电材料是一 种柔软的压电材料，不易破碎， 可以大量生产和制成较大的面 积压电元件。
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6.1 压电效应
▪ 6.1.1 石英晶体的压电效应
X轴：电轴或1轴； Y轴：机械轴或2轴（过棱线）； Z轴：光轴或3轴(纵向）。
图6-2 石英晶体的外形和晶轴
纵向压电效应：沿电轴（X轴 ）方向的力作用下产生电荷 横向压电效应：沿机械轴（Y 轴）方向的力作用下产生电荷 在光轴（Z轴）方向时则不产 生压电效应。
▪ 6.1.4 压电方程与压电常数
▪ 压电元件受到力F作用时，就在相应的表面产生表面电荷Q， 力F与Q之间存在以下关系
Q d FFra Baidu bibliotek
(6-1)
d ——压电系数；
压电系数d对于一定的施力方向和一定的产生电荷的表面是 一个常数，上式仅适用于一定尺寸的压电元件。为使用方便， 常采用以下公式
第6章 压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。它的工 作原理是基于压电材料的压电效应。石英晶体的压电 效应早在1680年即已发现，1948年制作出第一个石英 传感器。它以某些电介质的压电效应为基础，在外力 作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电 测的目的。
压电出传感元件是力敏元件，它能测量最终能变换为力 的哪些物理量，例如力，压力、加速度等。
▪ 6.1.1 石英晶体的压电效应
▪ 对于压电晶体，沿X轴施加正应力时，将在垂直于X轴表面 产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。
▪ 沿Y轴施加正应力时，电荷将出现在与X轴垂直的表面上， 这种现象称为横向压电效应。
▪ 沿X轴施加切应力时，将在垂直于Y轴表面产生电荷，这种 现象称为切向压电效应。
图6-4 石英晶体受力方向与电荷极性的关系
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6.1 压电效应
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制 成的。在电声和超声工程中也有利用逆压电效应 制作的传感器。压电转换元件受力变形的状态可 分为图6-1所示的几种基本形式。
但由于压电晶体的各向异性，并不是所有的压电 晶体都能在这几种变形状态下产生压电效应。例 如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有 良好的厚度变形和长度变形压电效应。
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第6章 压电式传感器
6.1压电效应 6.2压电材料 6.3等效电路 6.4测量电路 6.5压电式传感器的应用举例 6.6影响压电式传感器精度的因素分析
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6.1 压电效应
某些晶体或多晶陶瓷，当沿着一定方向受到外力作 用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上 产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不 带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随 着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成 正比。上述现象称为正压电效应。反之，如对晶体 施加一定变电场，晶体本身将产生机械变形，外电 场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应。
▪ 6.1.2 压电陶瓷的压电效应
▪ 为使其具有压电性，就必须在一定温度下进行极化处理。所 谓极化，就是以强电场使“电畴”规则排列，从而呈现压电 性。极化电场去除后，电畴基本保持不变，余下了很强的剩 余极化。
▪ 6.1.2 压电陶瓷的压电效应
▪ 当极化后的铁电体受到外力作用时，其剩余极化强度会发生 变化，从而使一定表面分别产生正负电荷。