传感器技术第5章-压电式传感器详解.ppt

第5章 压电式传感器;1 压电式传感器的工作原理;1.1 压电效应 1.2 压电常数和表面电荷的计算;1.1 压电效应; 压电效应是可逆的。 逆压电效应： 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或叫做电致伸缩效应。 ;1.1 压电效应;1.1 压电效应;1.1 压电效应; 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 ;（P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0; 可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。 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方向产生压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。 ; 晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。;2、钛酸钡陶瓷的压电效应 钛酸钡陶瓷具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。在无外电场作用时，各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度为零，见图（a）。 ; 在陶瓷的一端出现正束缚电荷，另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等，它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用。; 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，片内的正、负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，片内的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大。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，就是压电效应。 ; 由此可见，钛酸钡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。此外，还可以看出，陶瓷内的极化电荷是束缚电荷，而不是自由电荷，这些束缚电荷不能自由移动。所以在陶瓷中产生的放电或充电现象，是通过陶瓷内部极化强度的变化，引起电极面上自由电荷的释放或补充的结果。; 从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图所示 若晶体切片受到x方向的压力Fx(应力?x)作用，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象,在晶体线性弹性范围内，极化强度P11 与应力?x成正比：x方向所产生的电荷qx与作用力Fx成正比，即 因此： 反之，若沿x方向对晶片施加电场，电场强度E，根据逆压电效应，晶体在x轴方向将产生伸缩， ; 1.2 压电常数和表面电荷的计算; 压电常数dij有两个下标，即i和j ，其中 i = 1,2,3表示在垂直于x,y,z轴的晶片表面即x,y,z面上产生的电荷。 下标j = 1,2,3,4,5,6，其中j = 1,2,3分别表示晶体沿x,y,z轴方向承受的正应力，j = 4,5,6则分别表示晶体在x,y,z面上承受的剪切应力。; 从式（1）中可以看出切片上产生的电荷多少与切片的尺寸无关，即qx与Fx成正比。电荷qx的符号由晶体受压还是受拉而决定，如图 (a)、(b)。 从(2)可看出y轴方向受力后，切片上产生的电荷与切片的尺寸有关，qy与Fy成正比，电荷qy的符号由晶体受压还是受拉而决定，如图 (c)、(d)。; 推广到一般情况，即石英晶片在任意的多方向的力同时作用下的全压电效应，可由下列压电方程表示：;写成矩阵形式：;石英晶体的压电常数矩阵形式： ;石英晶体;压电效应;石英晶体切片受力图;图3;石英晶体结论;2 压电材料;1.2 压电材料;2 压电材料;2 压电材料;2 压电材料;2 压电材料;2 压电材料;2 压电材料;压电式传感器;3 压电式传感器的等效电路; 当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为