压电式力学传感器总结

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+
(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
Y
-
+
➢当 作 用 力 FX=0 时 ， 正 、 负 离 子 （ 即
Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角 + P1
P3 - X
上，形成三个互成120º夹角的偶极矩P1、 P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷
注：石英晶体并不是在 任何方向都存在压电效 应
(3)石英晶体的压电特性
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-。
Y
Y
-
+
X
X
+
（P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正电荷，在 Y、Z轴方向则不出现电荷。
FX－ -
Y +
+FX
－ + P1 P3 - + X
－
P2
+
－ - ++
(b) F <0
➢ 当晶体受到沿X方向的拉力（FX＞0）作用时，其变化情
况如图（c）。此时电极矩的三个分量为
第2章 压电式力学传感器
Piezoelectric Sensors
主要内容
➢ 2.5.1 压电效应 ➢ 2.5.2 压电材料 ➢2.5.3 压电式传感器的测量电路 ➢ 2.5.4 压电式传感器的灵敏度 ➢ 2.5.5 压电式传感器的应用
概述
压电式传感器是一种自发电式传感器。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。 压电传感元件是力敏感元件，它可以测量最终能变换为力的 那些非电物理量，例如动态力、动态压力、振动加速度等， 但不能用于静态参数的测量。 压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特 点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性 高。
一、 压电效应
1、正（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。
压电效应演示
2、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。
(1)石英晶体最大特点是——各向异性。 如上图所示，石英晶体的坐标图： Z——称为光轴；X——称为电轴；Y——称为机械轴。 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。
a
b
图2-26 石英切片 (a)石英晶片的切割 (b)石英晶片
二、压电材料及其特性
单晶
石英晶体 铌酸锂，钽酸锂
多晶：压电陶瓷，钛酸钡，锆钛酸铅(PZT)
新型材料
(一)、常用压电材料 1、石英晶体 石英晶体的化学式微SiO2,是单晶体结构，如图 2-26表示理想几何形状的石英晶体，它是一个正 六面体晶柱。
Z
Y
X (a)
(a)石英晶体形状
天然形成的石英晶体外形
正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。
➢ 晶体在Z轴方向力FZ的作用下，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，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不
产生压电效应。压电常数：
d13d23d330
2 压电陶瓷
－ － －－
(a)
+ + ++ (b)
qx d11Fx
式中：d11——压电系数，与受 力方向和变形有关；qx——垂 直于X轴平面上的电荷，Fx— —沿X轴方向施加的作用力
(2）压电效应 纵向压电效应
X
X
FY －－－－
FY + + + +
++ ++ (c)
－－ － －
(d)
qy d12(L/δ )Fy
式 中 ： d11——y 轴 方 向 受 力 的 压 电系数，据石英晶体的对称性，
有d12 = -d11 ；qy——垂直于X轴 平面上的电荷，Fy——沿y轴方向 施加的作用力；L、δ——晶体切
片的长度、厚度
特点： •沿机械轴方向作用力在 晶体产生的电荷与晶体 切片的尺寸有关； •沿y轴作用力所产生的 电荷极性与沿x轴作用力 所产生的电荷极性是相 反的，见左图。
Y
（P1+P2+P3）X<0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0
FX+
-
+
－FX
(c)
+
FX>0
+ +
+
P1
- P2
P3
-
－ －
+－
X
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轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体 的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似。由此可 见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生
P2
-
+
中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，
即
(a) FX=0
➢当晶体受到P沿1＋XP方2＋向P的3＝压0力（FX<0）作用时，晶体沿X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
(P1+P2+P3)X>0；在Y、Z方向上的分量为
正压电效应
电能
机械能
逆压电效应
压电材料在外力作用下产生的表面电荷常用压电方程描述，为：
qi dij j 或 Q i dijF j
式中，qi—i 面上的电荷密度 (C／cm2)；Qi—i 面上的总电荷量
（C）；j—j方向的应力(N／cm2)；Fj—j方向的作用力；dij—压
电常数(C／N)，(i=1，2，3，j=1，2，3，4，5，6)。
双面镀银并封装
光轴 Z
(2)压电效应 纵向压电效应
X
电轴
机械轴 Y
特点：
•电荷qx的符号表示受压力还是 受拉力；
•切 片 上 产 生 的 电 荷 多 少 与 切
片的尺寸无关，即qx与Fx成正 比；
•晶 片 电 荷 极 性 与 受 力 关 系 如 右图所示。
X FX + + ++
X FX
－ － －－