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第8章
压电式传感器
压电传感器是一种电能量型传感器,它的工作原理是基于某些电介质的压电效应。在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,实现力与电荷的转换,所以它能测量最终转换为力的物理量,如压力、加速度等。最常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等优点。近年来,由于电子技术迅猛发展,随着与之配套的二次仪表,以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现,使压电传感器使用更为方便,集成化、智能化的新型压电传感器也正在被开发出来。
压电效应
对某些电介质,当沿着一定方向对它施加压力时,内部就产生极化现象,同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷;当外力去掉后,它又重新恢复为不带电状态;当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比,这种现象称为压电效应。相反,当在电介质的极化方向上施加电场时,这些电介质也会产生变形,当外电场撤离时,变形也随着消失,这种现象称为逆压电效应。
具有压电效应的物质很多,如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。
石英晶体的压电效应
石英晶体是最常用的压电晶体之一,(a)所示为天然结构的石英晶体理想外形,它是一个正六面体,在晶体学中可以用三根相互垂直的轴x、y、z来表示它们的坐标,(b)所示。z轴为光轴(中性轴),它是晶体的对称轴,晶体沿光轴z方向受力时不产生压电效应;经过正六面体棱线并垂直于光轴的x轴为电轴,晶体在沿电轴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,纵向压电效应最为显著;与z轴和x轴同时垂直的轴为y轴,y轴垂直于正六面体的棱面,称为机械轴,晶体沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应,在y轴上加力产生的变形最大。从石英晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片,(c)所示。
若从晶体上沿机械轴y轴方向切下一块晶片,当在电轴x方向施加作用力fx时,在与x轴垂直的平面上将产生电荷qx,其大小为
qx=d11fx ()
式中,d11为电轴x方向受力的压电系数;fx为沿电轴x方向施加的作用力。
若在同一切片上,沿机械轴y轴方向施加作用力fy时,则仍在与x轴垂直的平面上将产生电荷qy,其大小为
()
式中,d12为机械轴y方向受力的压电系数,d12=-d11;fy为沿机械轴y方向施加的作用力;a、b分别为晶体切片长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由所受力的性质决定,当作用力fx和fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变。
石英晶体
石英晶体受压力或拉力时,电荷的极性如图8-2所示。
晶片受力方向与电荷极性的关系
石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷呢?可以解释如下:
石英晶体的每一个晶体单元中,有三个硅离子和六个氧离子,正负离子分布在正六边形的顶角上,如图8-3a所示。当作用力为零时,正负电荷相互平衡,所以外部没有带电现象。
如果在X轴方向施加压力,如图8-3b所示,则氧离子挤入硅离子2和6间,而硅离子4挤入氧离子3和5之间,结果在表面A上出现正电荷,而在B表面上出现负电荷。如果所受的力为拉力时,在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况刚好相反。
如果在Y轴方向施加压力,则在表面A和B上呈现的极性如图8-3c所示,施加拉力时,电荷的极性与它相反。
如果在Z轴方向施加力的作用时,由于硅离子和氧离子是对称的平移,故在表面没有电荷出现,因而不产生压电效应。
石英晶体的压电效应
石英晶体
石英就是二氧化硅(SiO2),是一种压电晶体,压电效应就是在石英晶体中发现的。它是一种天然晶体,现在已有高化学纯度和结构完善的人工培养的石英晶体。石英晶体的压电系数d11=×10-12C/N,在几百摄氏度的温度范围内,压电系数不随温度而变;但温度达到573℃时,石英则完全丧失了压电性质,这是它的居里点。石英的熔点为1 750℃,×103kg/m3,有很高的机械强度和稳定的机械性质,因而广泛地被应用。石英晶体元件主要用于测量大量值的力和加速度,或作为标准传感器使用。但它的压电系数相当低,因此它已逐渐被其他压电材料所代替。
除了石英晶体外,常用的压电晶体还有酒石酸钾钠(NaKC4H4O6·4H2O),铌酸锂(LiNbO2)等。
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷也是一种常见的压电材料,它是人工制造的多晶体压电材料。压电陶瓷内部具有无规则排列的电畴,电畴结构类似于铁磁性材料的磁畴结构。压电陶瓷在没有极化之前不具有压电性,是非压电体,为使其具有压电性,就必须在一定温度下做极化处理。所谓极化,就是以强电