压电式传感器(改).pptVIP

6 压电式传感器 一、压电效应 1、石英晶体的压电效应 1)晶体结构 2)压电特性 3)石英晶体的压电机理 2、压电陶瓷的压电现象 二、压电材料 三、等效电路 四、测量电路 1、电压放大器（阻抗变换器 ) 2、电荷放大器 五、应用 作业： P314 6.2 6.4 * 压电传感器是一种典型的有源传感器（发电型传感器），这种传感器不需要外接电源，直接就能产生电压。 压电传感器是以某些物质的压电效应为基础的。在外力作用下，在电介质表面产生电荷，从而实现非电量电测的目的。 压电式传感器是力敏感元件，它能测量最终能变换为力的那些物理量。如压力、加速度、应力。 极化现象：是指原来不带电的介质，在某种条件下，其表面产生电荷的现象。 顺（正）压电效应：某些电介质沿着一定方向对其施加力而使它变形时，由于内部产生极化现象，其两表面上产生符号相反的电荷，外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为顺压电效应。作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：顺压电效应的逆过程，对某些电介质施加一定的变电场，电介质本身将产生机械变形，外电场撤离后，变形也随着消失的现象。 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。 石英晶体是一个六角形晶柱，共有30个晶面。在晶体学中用三根互相垂直的轴来表示，称为晶轴。Z-Z轴为光轴，它经过六面体的棱线，垂直于光轴的X－X轴称为电轴，它通过六面体相对的两个棱线。与X、Z轴同时垂直的Y－Y轴称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。因此应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。 ①纵向压电效应 沿电轴X施加力，产生的电荷位于与电轴X垂直的晶面上。 产生的电荷为： qxx＝dxx·Fx qxx为产生的电荷 dxx为纵向压电系数 Fx为沿电轴X方向施加的压力。 (下标表示电荷所在面的轴向及施加作用力的方向) Z Y X c a b ②横向压电效应 沿机械轴Y施力，产生的电荷仍位于与X垂直的晶面上。 同一晶片上横向压电效应产生的电荷为 qxy为产生的电荷 dxy为横向压电系数 FY为沿机械轴Y方向施加的压力。 因dxy＝－dxx(石英晶体的对称性) ，故有 Z Y X c a b 在一个晶体单元组中，有三个硅离子和六个氧离子，将硅离子与2个氧离子分别等效为＋、－。其中Si4+及2O2-分布在正六边形的顶角上，形成3个大小相等，互成120o交角的电偶极矩P1、P2和P3，P＝q·l，其方向从负电荷指向正电荷，是矢量。不受力时，P1＋P2＋P3＝0，呈电中性。 当受X轴方向压力时，P1＋P2＋P3＜0，即为纵向压电效应。 当受Y轴方向压力时，P1＋P2＋P3＞0，即横向压电效应。 当受Z轴方向作用力时，硅离子与氧离子是对称平移，正负电荷中心始终重合，不产生压电效应。 压电陶瓷是一种多晶铁电体，铁电体具有剩余极化的性质，它有电畴结构。如：钛酸钡、锆钛酸铅等。 电畴是分子自发形成的区域，有一定的极化方向（即电偶极矩有一定方向）。铁电体内部的电畴无规则排列，使得它们的极化效应互相抵消，故在原始状态，压电陶瓷不具有压电效应。 在一定温度条件下，对压电陶瓷加以强电场，此时电畴的极化方向发生转动，趋于外电场的方向排列，材料得以极化。 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，陶瓷片将产生压缩形变，束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放，而出现放电荷现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。 这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷的正压电效应。 对于压电陶瓷，通常将它的极化方向作为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷。 q = dzzF dzz压电系数 选取合适的压电材料是压电式传感器的关键，一般应考虑以下主要特性进行选择：