1、第6章 压电式传感器,6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电式传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用,6.1 压电效应及压电材料,逆压电效应:当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。,正压电效应:有时人们把这种机械能转换为电能的现象， 称为“正压电效应”。,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，同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。,压电材料:具有压电效应的材料称为，压电材料能实现机电能量的相
2、互转换，如图6 - 1所示。性能优良的压电材料:石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料。,图6-1 压电效应可逆性,主要特性参数有： 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灵敏度。 弹性常数: 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。 介电常数: 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；而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。 机械耦合系数：它的意义是，在压电效应中，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，这是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 电阻: 压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏，从而改善压电传感
3、器的低频特性。 居里点温度: 它是指压电材料开始丧失压电特性的温度,压电材料分类：压电晶体和压电陶瓷。,表6-1 常用压电材料性能参数,纵向压电效应:沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称， 横向压电效应:沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为。 沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。,图6-2天然结构石英晶体(a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片,6.1.1 石英晶体,石英晶体SiO2，单晶体结构。 纵向轴光轴z ， 经过六面体棱线并垂直于光轴的电轴x ， 与x,z轴同时垂直的轴机械轴y,正六面体,各个方向的特性不同。,从晶体上沿y方向切下一块图6-2（c）示的晶片
4、，当沿电轴方向施加作用力Fx时，在与电轴x垂直的平面上将产生电荷， 其大小为,(6-1), 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,(6-2),d11x方向受力的压电系数,(c) 晶片,d12y方向受力的压电系数，根据石英晶体的对称性有d12=-d11； a、b晶体切片的长度和厚度。 qx、qy的符号由受压力还是受拉力决定。,（自学阅读P105）石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3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。 图中“ ”代表硅离子Si4+， “ ”代表氧离子
5、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。 如图6-3（a）所示。,图6-3 石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力,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。 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。如图6-3（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
6、而不等于零。在x轴的正方向出现负电荷， 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，晶体的变形如图6-3c）所示。与图6-3（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轴正向为正电荷。在y轴方向上仍不出现电荷。 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。 当作用力Fx、Fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。,压电陶瓷: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。 极化过程:在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自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, 如图6-4（a）所示。施加外电场时电畴的极化方向发生转动趋向于按外电场方向的排列材料得到极化。外电场愈强， 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性, 如图6-4（b）所示。,6.1.2 压电陶瓷,
