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第5章 压电式传感器 ;5.1 压电效应 ;正（顺）压电效应示意图;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，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“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。; 常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。; 如图所示为天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。;在晶体学中，可以将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。 ;如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 ;石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。下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。 图中“＋”代表硅离子Si4+， “－”代表氧离子O2-。 ;硅氧离子的排列示意图;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（a）所示。 ;(b) Fx0;当晶体受到沿x方向的拉力（Fx ＞0）作用时，其变化情况如图（c）所示。电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (P1 +P2 +P3) x0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P3)z =0 在x轴的正向表面出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。;可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用时，它在x方向表面产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。;晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶???矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。;3. 作用力与电荷的关系;即：;若在同一切片上，沿机械轴y方向施加应力F2，则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷q12，极性方向相反，;石英晶体受力方向与电荷极性关系 ;① 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关； ② 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的； ③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； ④ 晶体在哪个方向上有正（顺）压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； ⑤ 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。;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。;在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。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，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 ;压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化 ;陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这 些自由电荷与陶瓷片内 的束缚电荷符号相反而 数量相等，它屏蔽和抵 消了陶瓷片内极化强度 对外界的作用。;正压电效应示意图;若在片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用使极化强度增大。陶瓷片内的正、负束缚电荷之间距离也增大，即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种 由于电效应而转变为机 械效应，或者由电能转 变为机械能的现象，就 是压电陶瓷的逆压电效应。;对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，在是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，如图（a）所示，其电荷量q与作用