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第五章 压变式传感器
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
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