第五章 压变式传感器.ppt

传感器与检测技术 董春利 主编 潘洪坤 执笔 大连职业技术学院电气电子工程系 2008年3月 第五章 压变式传感器 5.1 压电式传感器 5.2 压磁式传感器 第一节 压电式传感器 压电式传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等各种动态力、机械冲击与振动的测量。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点 一、压电传感器工作原理 1．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，当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变，这种现象称压电效应。又叫顺压电效应）。 反之，当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定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。这个现象叫做逆压电效应，又叫电致伸缩效应。 在自然界中许多物质具有压电效应和你压电效应，常见的有石英晶体、压电陶瓷等。 2．石英晶体 石英晶体化学式为SiO2,是一个正六面体。 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。 通常把沿电轴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”；而把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”；而沿光轴z方向受力时不产生压电效应。 （1）石英晶体的压电效应 1）石英晶体未受外力作用，此时正负电荷重心重合，电偶极矩的矢量和等于零，P1+P2+P3=0，所以晶体表面不产生电荷，即呈中性。 2）当石英晶体受到沿x轴方向的压力fx作用时，X轴P1减小和P2、P3的增加，即：（P1+P2+P3)x0。在Y、Z方向上的分量为零，可见，在X轴的正向出现正电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。 3）当晶体受到沿y轴方向的压力fy作用时，P1增大，P2、P3减小，即：（P1+P2+P3)x0。在x轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为负电荷。在y轴方向上不出现电荷。当作用力fy的方向相反时，电荷的极性也随之改变。 4）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。 （2）压电效应参数的分析 1、从石英晶体上沿y方向切下一块，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。 2、若在同一切片上，沿机械轴y方向施加作用力FY 极间电荷： 1、 2、 1：在X轴方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；如果作用力FX改为拉力，则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。 2、仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qY 但产生的电荷的符号是不同的 。 结论： ①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）之间呈线性关系； ②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； ③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的。 2．压电陶瓷 （1）压电陶瓷的极化 压电陶瓷属于铁电体一类的物质，是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。 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。 当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时 ，在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。 （2）压电陶瓷的压电效应 1）正压电效应： 由机械效应转为电效应，或由机械能转为电能的现象，就是正压电效应。 2）逆压电效应： 外加电场与极化方向相同，沿极化方向伸长，反之，产生缩短形变 。 由电效应而转为机械效应或由电能转为机械能的现象，就是逆压电效应。 3）结论： 压电陶瓷所以具有压电效应，是由于陶瓷内部存在自发极化。 这些自发极化经过极化工序处理而被迫取向排列后，陶瓷内即存在剩余极化强度。 如果外界的作用（如压力或电场的作用）能使此极化强度发生变化，陶瓷就出现压电效应。 （2）压电效应分析 压电效应产生的电荷量的大小与外力成正比关系： 式中：d33—压电陶瓷的压电系数；F—作用力。 压电陶瓷