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第6章 压电式传感器 ; 压电式传感器的原理:基于某些晶体材料的压电效应,是一种典型的有源传感器(或发电型传感器)。
特点: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。
压电效应是可逆的,因此压电式传感器是一种典型的“双向传感器”;6.1 压电效应及压电材料 ;正(顺)压电效应示意图;具有压电效应的电介物质称为压电材料。
压电晶体(如上述的石英晶体)
经过极化处理的压电陶瓷,人工制造的钛酸钡、锆钛酸铅等。
高分子压电材料
半导体压电材料,ZnO、CdS 、CdTe
具有压电效应的物质很多常见的压电材料可分为两类,即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
; 选用合适的压电材料是设计高性能传感器的关键。
主要特性参数:
;表6-1 常用压电材料性能参数 ;6.1.1 石英晶体
石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。有天然和人造石英单晶两种。目前传感器中使用的均是以居里点为573℃,晶体的结构为六角晶系的α-石英
石英晶体属六方晶系,是一个正六面体,在晶体学中用三根互相 垂直的轴 Z、X、Y 表示它的坐标。;*;石英晶体振荡器(晶振); 晶体外形; (b) 切割方向; (c) 晶片
Z 轴为光轴(中性轴),它是晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象,因而它的贡献是作为基准轴。
X 轴为电轴(垂直于光轴),该轴压电效应最显著,它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z,显然X轴共有三个。
Y 轴为机械轴(力轴),显然也有三个,它垂直于两个相对的表面,在此轴上加力产生的变形最大。
; 若沿y方向切下一块如图(c)所示晶片,当沿电轴方向施加作用力Fx时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷, 其大小为 ; 若沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为 ;?; 当石英晶体未受力作用时,正、负离子(即Si4+和2O2?)正好分布在正六边形的顶角上,形成三个大小相等,互成120°夹角的电偶极矩 p1、 p2 和 p3。
电偶极矩的矢量和等于零,即 ,这时晶体表面不产生电荷,石英晶体从整体上呈电中性。(见图a) ;Y;Y; 当晶体受到沿Z轴方向的力(无论是压缩力或拉伸力)作用时,因为石英晶体在X轴方向和Y方向的变形相同,正、负电荷中心始终保持重合,电偶极矩在X、Y方向的分量等于零。
所以沿光轴方向施加作用力,石英晶体不会产生压电效应。
当作用力Fx或Fy的方向相反时,电荷的极性随之改变。如果石英晶体的各个方向同时受到均等的作用力(如液体压力),石英晶体将保持电中性。
所以石英晶体没有体积变形的压电效应。;石英晶体受力方向与电荷极性关系 ;结论:
① 当晶片受到x方向的压力作用时,qx只与作用力Fx成正比,而与晶片的几何尺寸无关;
② 沿机械轴y方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸有关的;
③ 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的;
④ 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;
⑤ 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)之间皆呈线性关系。;6.1.2 压电陶瓷;为了使压电陶瓷具有压电效应,必须进行极化处理。 ;压电陶瓷外形;*;超声波美容仪器用压电陶瓷晶片;高分子压电薄膜及拉制 ;高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆;可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板;压电式脚踏报警器;高分子压电薄膜制作的压电喇叭(逆压电效应);石英晶体与压电陶瓷的比较;6.1.3 压电式传感器
压电式传感器的基本原理就是利用压电材料的压电效应这个特性,即当有力作用在压电材料上时,传感器就有电荷(或电压)输出。
由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存,即需要测量回路具有无限大的输入阻抗,这实际上是不可能的, 因此压电式传感器不能用于静态测量。压电材料在交变力的作用下,电荷可以不断补充,以供给测量回路一定的电流,故适用于动态测量。 ;图6-5 压电元件连接方式 (a)相同极性端粘结; (b) 不同极性端粘结 ;a b; 在上述两种接法中,并联接法输出电荷大,本身电容大, 时间常数大,适宜用在测量慢变信号并且以电荷作为输出量的场合。 而串联接法输出电压大,本身电容小,适宜用于以电压作输出信号,并且测量电路输入阻抗
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