压电式传感器介绍与应用

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—沿Y方向施加力;
➢当晶片受Y向的压力时,
➢ q X Y 与作用力 F Y 成正比,且与晶片的几何尺寸有关;
晶片电荷极性与受力方向关系


拉 压
7.1 压电效应及压电材料
➢具有压电效应的物质很多,如石英晶体、压电半导体等。
➢压电效应分:正压电效应和逆压电效应。 加力 → 变形 → 产生电荷
7.1 压电效应及压电材料 1. 正压电效应
➢某些晶体(电介质)受到一定方向上的机械外力作用时,其内部产生极化 现象(类似于铁磁体的磁化现象),晶体的两个表面上产生符号相反的电荷 (或产生内部电场)。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。

—沿X方向施加力;
➢当晶片受X向的压力时, ➢ 与作用力 成正比,与晶片的几何尺寸无关; ➢若 改为拉力时,在垂直于X轴的平面上出现等量电荷,但极性相反。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应——电荷大小分析
(2)横向压电效应产生的电荷:
➢ —Y轴施力,垂直于X轴平面上的电荷;
➢ —压电系数。Y轴施加力,垂直于X轴 平面上产生电荷;
关系; ➢ 晶体在哪个方向上有正压电效应,则在此方向上一定存在逆压电效应; ➢ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应——电荷大小分析
(1)纵向压电效应产生的电荷:
➢ —X轴施力,垂直于X轴平面上的电荷;
➢ —压电系数。X轴施加力,垂直于X轴平 面上产生电荷;
应。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
晶片电荷极性与受力方向关系
(a)
(b)
➢图(a):在X轴方向受压力 ➢图(b):在X轴方向受拉力 ➢图(c):在Y轴方向受压力 ➢图(d):在Y轴方向受拉力
(c)
纵向压电效应 横向压电效应
(d)
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应——电荷大小分析

7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
➢石英晶体有三个晶轴: ➢X轴——电轴或1轴,通过六面体相对的两个 棱线,并垂直于光轴; ➢Y轴——机械轴或2轴,垂直于两个相对的晶 柱棱面; ➢Z轴——光轴或3轴,与晶体的纵轴线方向一 致(与x,y轴垂直)
➢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)方向施加力时,不产生压电效应。
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
①沿X(电轴)对晶片施加力FX时,在垂直于X轴的表面产生电荷 ——纵向压电效应
➢当FX>0时(拉力),在x轴的正方向出现负电; ➢当FX<0时(压力),在x轴的正方向出现正电;
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
②沿Y(机械轴)对晶片施加力FY时,在垂直于X轴的表面产生电荷 ——横向压电效应
压电式传感器介绍和应用
压电式传感器介绍和应用
➢压电式传感器是力敏感元件,将被测量力、压力、加速度等转换成压电器
件的表面电荷量,以实现非电量的电测目的。
➢压电式传感器是以某些晶体受力后,在其表面产生电荷的压电效应为转换
原理的传感器。(敏感元件:压电材料/晶体) ➢它可以测量最终能变换为力的各种物理量,如力、压力、加速度等,实现非 电量的测量,是一种典型的有源传感器(发电型/自发电式/机电转换式); ➢压电式传感器具有体积小,重量轻,工作频带宽、灵敏度高、工作可靠、测 量范围广等特点,因此在各种动态力、 机械冲击与振动的测量,以及声学、 医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
第七章 压电式传感器
➢压电效应(石英和压电陶瓷) ➢压电元件的等效电路 ➢信号调解电路 ➢应用
7.1 压电效应及压电材料
电势型传感器 压电效应可逆
以压电效应为基础 “双向传感器”
➢某些晶体,在一定方向受到外力作用而产生形变时,会引起它内部的正负 电荷中心相对转移而产生极化,导致在晶体的两个相对表面产生符号相反的 电荷; ➢当外力去掉后,又重新恢复不带电状态; ➢当作用力方向改变,电荷的极性也随之改变,这种现象为压电效应。
相对应变
——X轴方向上的电场强度
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应——电荷大小分析
(2)同理,在Y轴方向上,施加外力FY时, ①X轴表面产生的电荷量
分析: ∵
而电荷密度

②相应的逆压电效应产生的形变
在X轴方向上,加外电场UX
相对应变
由上述可知: ➢ 无论是正或逆压电效应,其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈线性
➢当FY>0时(拉力),与FX<0时的情况类似,在x轴的正方向出现正电; ➢当FY<0时(压力), 与FX>0时的情况类似,在x轴的正方向出现负电;
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体的压电效应
③沿Z(光轴)对晶片施加力FZ时,无压电效应。
由于正负离子位置保持不变,
,所以不产生任何方向上的压电效
机械能→→→电能
机械能→→→电能
7.1 压电效应及压电材料 2. 逆压电效应
➢在压电材料的两个电极面上,如果加以交流电压,那么压电片能产生机械 振动,即压电片在电极方向上有伸缩的现象,这种现象称为“电致伸缩效应”, 也叫做“逆压电效应”。(施加电场→电介质产生变形→应力) ➢常见的压电材料由石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。
(1)在X轴方向上,施加外力FX时, ①X轴表面产生的电荷量
——压电系数,石英晶体 =2.3×10-12C/N 分析:作用力使晶体发生形变,并发生极化现象,产生一定的极化强度。
其极化强度:
与应力 大小有关
则:
l、b——石英晶片的长度和宽度
➢ 极化强度在数值上等于晶面上的电荷密度 ➢ 而极化强度 ➢ 所以, ② 相应的逆压电效应,在X轴方向上施加外电压,则晶体产生的形变为:
正压电效应
机 械 能
压电元件
电 能
逆压电效应
➢压电式传感器又叫双向传感器
7.1 压电效应及压电材料
3. 石英晶体
➢自然界许多晶体具有压电效应,但十分微弱,研究发现石英晶体、钛酸 钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。 ➢压电材料可以分为两类:压电晶体、压电陶瓷。
食盐晶体
石英晶体
石英晶体 云母晶体
石英晶体振荡器 (晶振)
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