传感器原理与应用-第5章2.ppt

第五章 压电式传感器;本章重点：;是典型的有源传感器（发电型传感器），以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 ; 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部产生极化现象，同时在它某两个表面上产生等量异种电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。;电能;石英晶体的压电效应演示; 天然石英晶体的外形是六角棱柱体，在晶体学中可用三根互相垂直的轴来表示。;纵向压电效应—沿电轴X－X方向的力作用下产生电荷的压电效应；;图5-2 硅氧离子的排列示意图 （a） 硅氧离子在Z平面上的投影 （b）等效为正六边形排列的投影; ①FX=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夹角的电偶极矩P1、P2、P3，如图示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即; ②当晶体受到沿X方向的压力（FX0）作用时，沿X方向产生收缩，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;(c) FX0; 可见，当晶体只受到FX作用时，在X方向产生了正压电效应，即纵向压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。; 石英晶体在只受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，电偶极矩矢量和仍等于零。这表明：只受FZ作用时，石英晶体不产生压电效应。; 从石英晶体上切下一平行六面体，使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴，如图。在垂直X轴方向用真空镀膜或沉银法得到电极面，即为晶片。 ;式中 ： d11——纵向压电系数，d11=2.3×10-12CN-1； l、b——石英晶片的长度和宽度。 ;式中 ——电极面间电容。 ;FX; 如果作用力沿着Y轴方向，其电荷仍在与X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为 ;根据石英晶体轴对称条件：d11=－d12，则上式为;由上述可知： 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???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。 ;摘绿我量碾绍佯髓告脊戊滨劣绵炉脉分猴沫亏铭涧鲸蹄苏洼始番沧岸辫衣传感器原理与应用-第5章2传感器原理与应用-第5章2;二、压电陶瓷的压电效应 ;电压表无法测出陶瓷片内部极化强度的原因; 如果在陶瓷片上加与极化方向平行的压力F，陶瓷片产生压缩形变，片内正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原吸附在电极上的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内的正、负电荷间的距离变大，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。; 若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，电场的作用可使极化强度增大。这时，陶瓷片内的正负束缚电荷之间距离也增大，陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理，如果外加电场的方向与极化方向相反，则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。; ①压电陶瓷所以具有压电效应，是由于内部存在自发极化。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。;§5-2 压电材料;对压电材料特性要求;一、石英晶体（SiO2） 具有良好压电特性的压电单晶。其介电常数和压电系数的温度稳定性相当好，在常温范围内几乎不随温度变化，如下图。; 突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能也相当好。但价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。; 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。在设计时，应根据不同使用要求正确地选择切型。;IRE表示法;例如：(YXl)35o切型，其中第一个字母Y表示石英晶片在原始位置(即旋转前的位置)时的厚度沿Y轴方向，第二个字母X表示石英晶片在原始位置时的长度沿X轴方向，第三个字母l和角度35o表示石英晶片绕长度逆时针旋转35o，如图。;又如（XYtl）5o/-50o切型，它表示石英晶片原始位置的厚度沿X轴方向，长度沿Y轴方向，先绕厚度t逆时针旋转5o，再绕长度l顺时针旋转50o，如图。;习惯符号表示法 ;贾茁烫匹瞻泽靴绅徐渴连河矩吭茎覆涣烽娘他墅巷惦宾