传感器06 - 压电式传感器9,10.ppt

* 某些电介质(晶体)，在一定方向施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上便产生符号相反的电荷， 当外力去掉后，又重新恢复到不带电状态。这种现象称正压电效应。 当作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 第六章 压电式传感器 6.1 基础知识 一 压电效应 1 正压电效应 当在电介质极化方向施加电场(电压)，这些电介质产生几何变形，这种现象称为“逆压电效应”（电致伸缩效应）。 2 逆压电效应 压电晶体: 石英晶体，电器石 　　压电陶瓷：钛酸钡、锆钛酸铅(PZT) 　　薄膜：ZnO 聚合物：　PVDF聚偏二氟乙烯 复合材料： PVDF － PZT 纳米材料 3 压电材料 压电材料的主要特性参数：  压电常数: 衡量材料压电效应强弱的参数 决定压电传感器的输出灵敏度 ② 介电常数:电容器 ③ 电阻: 压电材料的绝缘电阻减少,电荷将泄漏。 ④ 居里点温度: 压电材料开始丧失压电特性的温度。 表 常用压电材料性能参数 SiO2，是单晶体结构 ，六角形晶柱，两端呈六棱锥形 ,由30个晶面组成。 纵向轴z称为光轴; 经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴; 与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 二 物理机理 1 石英晶体 图 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 光轴 电轴 机械轴 图 石英晶体 (a) 晶体外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 “纵向压电效应” 沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应 “横向压电效应” 沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应 沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。 “纵向压电效应” “横向压电效应” 不产生压电效应 图 石英晶体压电模型 (a) 不受力时； (b) x轴方向受力； (c) y轴方向受力 当晶体不受力时F=0，正负离子分布在六边形顶角，电偶极矩， 晶体呈中性； 当晶体受沿X轴方向的应力时，X方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现正电荷； 当晶体受沿Y轴方向的应力时，Y方向压缩形变，电偶极矩 在X轴的正方向出现负电荷； 2 压电陶瓷 图 未极化的压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。 图 压电陶瓷的极化 (a) 未极化; (b) 电极化 在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 陶瓷片对外不表现极性,而是中性。 压电陶瓷片内束缚电荷(内部)与电极上吸附的自由电荷示意图 陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来，即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，它屏蔽和抵消了陶瓷片内极化强度对外界的作用。 压电效应分析 不受外力: 图 正压电效应示意图 F － ＋ - - - - - ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ - - - - - ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ 极化方向 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。片内的正、负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。释放部分吸附在电极上的自由电荷，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状，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。——正压电效应(机械能转换为电能)。 受外力: 若在片上加一个与极化方向相同的电场，