传感器与检测技术第七章

7.1 压电效应及压电材料
某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象， 同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不 带电状态，这种现象称压电效应。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。
有时人们把这种机械能转为电能的现象，称为正压电效应。相反， 当在电介质极化
称为机械轴。通常把沿电轴x 方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效
应。而把沿机械轴y 方向的作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。而沿光 轴z 方向受力时不产生压电效应。
石英晶体
7.1.1 石英晶体
若从晶体上沿 y 方向切下一块如上图 （c）所示晶片，当在电轴方向施加作用 力时，在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷，其大小为 ： qx = d11 fx
２．弹性常数：
Biblioteka Baidu３．介电常数：
４．机械耦合 系数常数： ５．电阻：
６．居里点：
7.1 压电效应及压电材料
常用压电材料的性能参数
7.1.1 石英晶体
石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构。下图（a）表示了天然结构的石英晶 体外形，它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称 为光轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴，与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y
7.1.1 石英晶体
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时，晶体沿x方向将产生压缩变形， 正负 离子的相对位置也随之变动。如上图 （b）所示，此时正负电荷重心不再重合，电 偶 极 矩 在 x 方 向 上 的 分 量 由 于 P1 的 减 小 和 P2 、 P3 的 增 加 而 不 等 于 零 ， 即 （P1+P2+P3）x> 0 。在x轴的正方向出现正电荷，电偶极矩在y方向上的分量仍为 零，不出现电荷。 当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如上图（c）所示，与上图（b） 情况相似，P1增大，P2、P3 减小。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为负电
第七章 压电式传感器
第七章 压电式传感器
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应， 是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时，其表面会有电
荷产生，从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小，重量
轻， 工作频带宽等特点， 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。
压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传 感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关， 它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。
7.1.2 压电陶瓷
最早使用的压电陶瓷材料是钛酸钡（BaTiO3）。它是由碳酸钡和二氧化钛按一 定比例混合后烧结而成的。它的压电系数约为石英的50倍，但使用温度较低， 最高 只有70℃，温度稳定性和机械强度都不如石英。 目前使用较多的压电陶瓷材料是锆钛酸铅（ PZT ）系列，它是钛酸钡（ BaTiO3) 和锆酸铅（PbZrO3）组成的(Pb(ZrTi)O3)。
7.1 压电效应及压电材料
－－7.2.1 压电式传感器的等效电路
由压电元件的工作原理可知，压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时， 它也是一个电容器，晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板，极板间 物质等效于一种介质，则其电容量为 ：
荷。 在y轴方向上不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产生的形变完全相同，所 以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，
晶体不会产生压电效应。
7.1.2 压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电 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
若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力fy，则仍在与x轴垂直的平面上产 生电荷qy， 其大小为 ： qy = d12 fy 电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。
石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。上图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。
分布，它们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。如下图 所示。
压电陶瓷的极化
极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化，当陶瓷材料受到外力作用 时，电畴的界限发生移动，电畴发生偏转，从而引起剩余极化强度的变化，因而在
7.1.2 压电陶瓷
垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化。这种因受力而产生的由机械效应 转变为电效应，将机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。电荷量 的大小与外力成正比关系： q = d33F
7.1.1 石英晶体
图中“+”代表Si4+离子，“-”代表氧离子O2-。 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。 如下图所示。
石英晶体的压电模型
因为P = qL，q为电荷量，L为正负电荷之间距离。此时正负电荷重心重合，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，即呈中性。
１．压电常数：
压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数，它直接关系到压电输出的灵敏度。
压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。 对于一定形状、尺寸的压电元件，其固有电容与介电常数有关。 压电效应中，转换输出能量（如电能）与输入的能量（如机械能）之比的平 方根，它是衡量压电材料机--电能量转换效率的一个重要参数。 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。
方向施加电场，这些电介质也会产生变形，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效 应）。具有压电效应的材料称为压电材料，压电材料能实现机—电能量的相互转换,
如下图所示。
压电效应的可逆性
7.1 压电效应及压电材料
在自然界中大多数晶体具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深 入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶瓷。 压电材料的主要特性参数有：