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* 第6章 压电式传感器 第6章 压电式传感器 （有源传感器） 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 6.1.1、压电效应 正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：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的现象。 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应 6.1 压电效应及压电材料 压电材料可以分为两大类：天然石英晶体和人工压电陶瓷。 6.1.2、石英晶体的压电效应 Z X Y (a) 与X轴和Z轴同时垂直的Y－Y轴（垂直于正六面体的棱面）称为机械轴，该方向压电效应称横向压电效应。 天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根互相垂直的轴来表示： 纵向轴Z－Z称为光轴，在该方向施加压力不产生压电效应； x z y o (a) b z o x a c y (c) 经过正六面体相对的两个棱线，垂直于光轴的X－X轴称为电轴（3个），该方向压电效应最显著，该方向压电效应称纵向压电效应； 石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的，其分子式为SiO2。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在xy平面投影，如图(a)。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列。 (a) X Y (b) + + - - - Y X + Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120o夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1＋P2＋P3＝0 FX X Y + + + + － － － － FX (b) FX0 + + + - - - P1 P2 P3 当晶体受到沿X方向的压力（FX0）作用时，晶体沿X方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化，如图（b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X0 在Y、Z方向上的分量为： （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 由上式看出，在X轴的正向出现正(束缚)电荷，在Y、Z轴方向则不出现电荷。 (c) FX0 Y + + + - - X - + + + － － － FX FX P2 P3 P1 + － 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）。此时电极矩的三个分量为： （P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0 在X轴的正向出现负(束缚)电荷，在Y、Z方向则不出现(束缚)电荷。 晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY＞0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY＜0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生正压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 Y + + + - - - X (a) FY=0 P1 P2 P3 FY X Y + + + + － － － － FY (b) FY0 + + + - - - P1 P2 P3 工程实际中，从石英晶体上切下一片平行六面体——晶体切片，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面。（该方法分析压电效应最简单，还有许多种切法） b z o x a c y x z y o + + + + － － － － (c) FY X + + + + － － － － (d) FY X FX + + + + － － － － (a) X FX － － － － + + + + (b) X 石英晶片(束缚)电荷极性与受力方向关系 6.1.3 、石英晶体的压电常数和电荷计算 1）、压电常数 一、石英晶体的性能参数 压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数。 分别表示在垂直于x、y、z轴的晶片表面，即yz、xz、xy面上产生的电荷。 z x y 分别表示沿x、y、z轴方向承受单向应力。 z x y 分别表示沿yz、xz、xy平面上承受的剪切应力。 分别表示在垂直于x、y、z轴的晶片表面，即yz、xz、xy面上产生的电荷。 z x y 分别表示沿x、y、z轴方向承受单向应力。 z x y 分别表示沿yz、xz、xy平面上承受的剪切应力。 如：d11在x