传感器与检测技术---第6章 压电式传感器.pptVIP

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 课间休息 电轴 光轴 机械轴 qx = d11 fx x F F + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电传感器测量电路 6.3 压电式传感器的应用 第6章 压电式传感器 返回主目录 利用某些电介质材料的压电效应原理制成的一类传感器 一、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, 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， 这种现象称压电效应。 当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 人们把这种现象, 称为“正压电效应” 。 相反, 当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形, 这种现象称为“逆压电效应”。 二、压电材料 具有压电效应的材料称为压电材料。用压电材料能实现机—电能量的相互转换, 如图6 - 1所示。在自然界中大多数晶体具有压电效应, 但压电效应十分微弱。目前发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。 三、压电材料的分类 压电材料可以分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。 1、压电晶体 石英晶体是最常用的压电晶体之一，它的化学式为SiO2, 是单晶体结构。图6- 2（a）表示了天然结构的石英晶体外形。它的中间是一个正六面柱，两端类似于六面锥。 石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴 z 称为光轴, 经过六面体棱线并垂直于光轴的 x 轴称为电轴, 与 x 和 z 轴同时垂直的轴 y 称为机械轴。如图6-2（b）所示。 若从晶体上沿 y 方向切下一块晶片，如图 6-2（c）所示, 将其内部分子结构在垂直于 z 轴的 xy 平面上的投影, 等效为一个正六边形排列，如图6-3（a）所示。它有如下特征： 1. 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，如图6-3（b）所示，其大小为  qx = d11 fx (6 - 1) 式中： d11—— x 方向受力的压电系数;  此压电效应称作“纵向压电效应” 2. 当沿机械轴 y 方向施加作用力 fy 时, 则仍在与 x 轴垂直的平 面上产生电荷 qy，如图 6-3（c）所示，其大小为 （6 - 2） 式中：d12 —— y 轴方向受力的压电系数, d12= — d11; a、 b —— 晶体切片长度和厚度。 此压电效应称作“横向压电效应” 3. 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。由此可以看出，压电效应不仅与材料有关，而且与施加力的方向也有关。  当作用力 fx、fy 的方向相反时, 电荷的极性也随之改变，即石英晶体是具有“正压电效应”的压电材料。 二、 压电陶瓷 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。  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，极化就越大。当外电场强度大到使材料的极化达到饱和（即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致）时, 将外电场去掉后, 电畴的极化方向基本不变，这时的材料才具有压电特性。 极化处理后陶瓷材料内部仍存在有很强的剩余极化, 当陶瓷材料受到外力作用时, 电畴的界限发生移动, 电畴发生偏转, 从而引起剩余极化强度的变化, 因而在垂直于极化方向的平面上将出现极化电荷的变化