王茜 压电式传感器.ppt

第七章压电式传感器
定义:
以某些物质的压电效应为转换原理的一种传感器(力传感器),又称为自发电式传感器。
作用:用于完成力以及可转换为力的非电参数测量。
主要元件:压电晶体
优点:
体积小,重量轻;
结构简单,工作可靠;
灵敏度高。
随着与之配套的仪表以及连接电缆性能的不断完善,应用日益广泛。
第一节压电效应和压电材料
一、压电效应
当某些物质沿其某一方向施加压力或拉力时,会产生变形,此时这种材料的两个表面将产生符号相反的电荷。当去掉外力后,它又重新回到不带电状态,这种现象被称为压电效应。
有时把这种机械能转变为电能的现象,称为“顺压电效应”。
逆压电效应:
在某些物质的极化方向上施加电场,它会产生机械变形,当去掉外加电场后,该物质的变形随之消失。
把这种电能转变为机械能的现象,称为“逆压电效应”。
具有压电效应的电介物质称为压电材料。
二、压电材料简介
压电材料可以分为三大类:
压电晶体(如石英单晶体)
压电陶瓷(极化处理的多晶体)
有机压电材料(压电半导体、高分子压电材料)
特性:
具有较大的压电常数;
机械性能优良(强度高,固有振荡频率稳定);
时间稳定性好,温度稳定性好等。
用于力学压电传感器的压电材料主要是石英晶体和钛酸钡压电陶瓷。
(一)压电晶体
常见压电晶体有天然和人造石英晶体。
石英晶体特点:
压电系数d11=×10-12C/N;
在几百度的温度范围内,其压电系数稳定不变,能产生十分稳定的固有频率;
能承受700~1000kg/cm2的压力。
(二)压电陶瓷
压电陶瓷是人造多晶体压电材料。
常用的压电陶瓷:钛酸钡,锆钛酸铅等。
它们的压电常数比石英晶体高,如钛酸钡压电系数d33=107×10-11(C/kg),
介电常数、机械性能不如石英晶体好。
三、石英晶体的压电特性
石英晶体是单晶体结构,形状为六角形晶柱,两端呈六棱锥形状。
棱柱体是石英晶体的基本组织,图b是石英晶体中间棱柱断面的下半部分,断面为正六边形。
在三维直角坐标系中,z轴被称为晶体的光轴,光线沿它通过晶体不产生折射。
在该轴方向上没有压电效应。
垂直于光轴z和电轴x的y轴称为机械轴;
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。
沿光轴z方向施加作用力则不产生压电效应。
若从石英晶体上沿y方向切下一块晶体片,
当在电轴x方向施加作用力fx时,在与电轴(x)垂直的平面上将产生电荷qx,其大小为:
经过六棱柱棱线,垂直于光轴z的x轴称为电轴,
把沿电轴x施加作用力后的压电效应称为纵向压电效应
式中: d11—x轴方向受力的压电系数;fx—作用力。
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轴垂直的平面上将产生电荷,其大小为:
式中: d12——y轴方向受力的压电系数,
分别为晶体片的长度和厚度。
受力后在与x轴垂直的平面上产生电荷qx和qy的符号:
由受压力还是拉力决定。
qx的大小与晶体片几何尺寸无关,
qy与晶体片几何尺寸有关。
四、压电传感器工作原理
1、石英晶体压电现象
将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正六边形排列。
图中“”代表Si4+离子;
“”代表氧离子2O2-。
当石英晶体未受外力作用时,带有4个正电荷硅离子和带有2×2个负电荷氧离子,正好分布在正六边形顶角上,形成三个大小相等、互为120°夹角的电偶极矩为P1、P2、P3,
电偶极子 
一对等量异号的点电荷所组成的带电系统。一些实际的带电系统(如电介质的分子)可简化为电偶极子。 
电偶极矩 
是一个矢量,其大小等于构成电偶极子的电荷的电量与两电荷距离的乘积,方向从负电荷指向正电荷。
P=qL,q为电荷量,L为正、负电荷之间距离。
当石英晶体未受外力作用时,此时,正、负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即:
电荷平衡,所以晶体表面不产生电荷,即呈中性。
当石英晶体受到沿x轴方向的压力作用时,
P1+P2+P3=0
将产生压缩变形,正负离子的相对位置随之变动,正负电荷中心不再重合。