第六章 压电式传感器

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1、12 概述 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的料的压电效应压电效应，是典型的有源传感器。，是典型的有源传感器。 当某些材料当某些材料受力作用受力作用而变形时，其表面会有而变形时，其表面会有电荷产生电荷产生，从而实现非电量测量。，从而实现非电量测量。3 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，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，相反的电荷，当外力去掉后，其又重新恢复到不带电状态

2、，这种现象称这种现象称压电效应压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 这种机械能转为电能的现象，称为这种机械能转为电能的现象，称为“顺压电效应顺压电效应”。45反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为象称为“逆压电效应逆压电效应”。67u压电材料可以分为两大类：压电材料可

3、以分为两大类：压电晶体压电晶体和和压电陶瓷压电陶瓷。前者。前者为晶体，后者为极化处理的多晶体。为晶体，后者为极化处理的多晶体。u他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定他们都具有较大的压电常数，机械性能良好，时间稳定性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。性好，温度稳定性好等特性，所以是较理想的压电材料。8ZXY纵向轴纵向轴Z称为称为光轴光轴经过正六面体棱线，经过正六面体棱线，并垂直于光轴的并垂直于光轴的X X轴称轴称为为电轴电轴与与X X轴和轴和Z Z轴同时垂直轴同时垂直的的Y Y轴（垂直于正六轴（垂直于正六面体的棱面）面体的棱面）称为称为机械轴机械轴 天然结构的石英晶体外

4、形是一个正六面体。石英晶体各天然结构的石英晶体外形是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。个方向的特性是不同的。9(a) (a) 晶体外形；晶体外形； (b) (b) 切割方向；切割方向； (c) (c) 晶片晶片 10石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。如图石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。如图所示是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在所示是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于垂直于z z轴的轴的xyxy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中图中“”代表硅离子代表硅离子SiSi4+4+，

5、“ “”代表氧离子代表氧离子2O2O2-2-。 11当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边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，形成三个互成形的顶角上，形成三个互成120120夹角的电偶极矩夹角的电偶极矩P P1 1、P P2 2、P P3 3。 因为因为P = qL（q q为电荷量，为电荷量，L L为为正负电荷之间的距离），此时正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即的矢量和等于零，即 P P1 1+ +P P2 2+ +P P3 30 0所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。所以晶体表面不产生电荷，

6、呈电中性。12当晶体受到沿当晶体受到沿x方向的压力时，晶体沿方向的压力时，晶体沿x方向将产生收缩，正、方向将产生收缩，正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩重合，电偶极矩P P1 1减小，减小，P P2 2、P P3 3增大，它们在增大，它们在x方向上的分量方向上的分量不再等于零不再等于零: : (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 在在y y、z z方向上的分量为方向上的分量为: : (P P1 1+P+P2 2+P+P3 3)y=0 (P P1 1+P+P2 2+P+P3 3)z =0

7、+ + + + +X XY Y+ + + +- - - -P P1 1P P2 2P P3 3F FX XF FX X在在x x轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在y y、z z方向不出现电荷方向不出现电荷。13晶体受到沿晶体受到沿x方向的拉力方向的拉力P P1 1增大，增大， P P2 2、P P3 3减小减小 (P(P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 0 在在x x轴的正向出现正电荷，在轴的正向出现正电荷，在y y、z z方向不出现电荷方向不出现电荷。16Y+-X-P2P3P1+ + + + +FYFY晶体受到沿晶体受到沿Y方向的压力方向的压力与与X X方向拉力相同

8、方向拉力相同 (P (P1 1+P+P2 2+P+P3 3) )x0 0 在在x x轴的正向出现负电荷，在轴的正向出现负电荷，在y y、z z方向不出现电荷方向不出现电荷。 这种沿这种沿Y Y轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于X X轴晶面上产生电轴晶面上产生电荷的现象即为荷的现象即为横向压电效应横向压电效应。171819Y Y+ + + +- - - -X XP P1 1P P2 2P P3 3受受Z Z轴力轴力: :晶体沿晶体沿x x方向和沿方向和沿y y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。负电荷中心保持

9、重合，电偶极矩矢量和等于零。在沿在沿z( z(即光轴即光轴) )方向的力方向的力Fz Fz 作用下，晶体不产生压电作用下，晶体不产生压电效应。效应。2011xxQdF为作用力。为作用力。11dxFFXFX+ + + + + +XX为为x x方向受力的压电系数；方向受力的压电系数；xQ为产生的电荷为产生的电荷21+ + + + + FYXFYX12yyaQdFb为作用力。为作用力。12dyF为为y y方向受力的压电系数方向受力的压电系数yQ为产生的电荷为产生的电荷1211dd 因石英轴对称因石英轴对称, ,a a：厚度：厚度 b b：宽度：宽度22 当晶片受到当晶片受到x x方向的压力作用时，方

10、向的压力作用时，q qx x只与作用只与作用力力x x成正比，而与晶片的几何尺寸无关；成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴沿机械轴y y方向向晶片施加压力时，产生的电方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的；荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应；石英晶体不是在任何方向都存在压电效应； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方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；向上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）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）之间皆呈线性关系。与电荷（或电场强度）之间皆呈线

11、性关系。结论：结论：23无外电场作用时无外电场作用时总极化强度为零总极化强度为零外电场去掉后外电场去掉后具剩余极化强度具剩余极化强度施加外电场时施加外电场时电畴自发极化方向电畴自发极化方向与外电场一致与外电场一致24自由电荷自由电荷束缚电荷束缚电荷电极电极电极电极 极化方向极化方向无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度无外力作用时电压表不能测出陶瓷片内的极化程度束缚电荷会吸附自由电荷束缚电荷会吸附自由电荷陶瓷片对外不表现极性陶瓷片对外不表现极性25这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是电能的现象，就是正压电效应正压电效