大学课件--压电式传感器.ppt

第6章 压电式传感器 压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应，是典型的双向有源传感器。 压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量，以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。 第6章 压电式传感器 6.1 压电效应及压电材料 6.2 压电元件的常用结构形式 6.3 压电式传感器的等效电路和测量电路 6.4 压电式传感器的结构组成 6.5 压电式传感器的应用 6.1 压电效应及压电材料 6.1.1 压电效应 6.1.2 压电材料 6.1.1 压电效应 ①压电效应 某些电介质，沿一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又会恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。作用力方向改变时，电荷的极性也随之改变。 ②逆压电效应 在这些电介质的极化方向上施加电场，它们也会产生变形，电场去掉后，变形随之消失，这种现象称逆压电效应，或电致伸缩效应。 6.1.1 压电效应 1.石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶体之一。其化学成分为SiO2，是单晶体结构。它理想的几何形状为正六面体晶柱，实际上两端为晶锥形状。通过上下晶锥顶点的z轴称为光轴，在此方向不产生压电效应。 6.1.1 压电效应 经过正六面体两相对棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。 按照图示方向切割，得到的压电晶体切片三条棱边分别沿x、y、z方向。实际切割方向有多种。 6.1.1 压电效应 通常把沿电轴(x轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应，把沿机械轴(y轴)方向的力作用下产生电荷的压电效应称为横向压电效应。作用力为剪切力时称为切向压电效应。 6.1.1 压电效应 从石英晶体上沿轴线切下的一片平行六面体如图所示。若晶体切片受到x方向的压力Fx作用，在垂直于x轴的平面(称为x面)上所产生的电荷qx与作用力Fx成正比，即 6.1.1 压电效应 从式(6.1)可以看出，此时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决定。 6.1.1 压电效应 如果在同一切片上作用的力是沿着机械轴y方向的，其电荷仍出现在与x轴垂直的平面上，但极性方向相反。此时电荷的多少与尺寸有关，大小为 6.1.1 压电效应 当在同一切片的各个面上作用着多个应力时，用d1、d2、d3分别表示垂直于x、y、z轴的x面、y面、z面上的电荷密度；用s1、s2、s3、s4、s5、s6表示各个面上的应力；用dij表示应力sj对di的贡献大小的系数，称为压电系数。则有 6.1.1 压电效应 此式称为压电晶体的压电方程。 6.1.1 压电效应 压电方程是压电传感器原理、设计和应用技术的理论基础。它是对压电元件全压电效应的数学描述，反映了压电介质的力学行为与电学行为之间的相互作用(即机—电转换)的规律。为简明起见，所进行的分析基于如下的前提：在讨论正压电效应(即压电效应)时，暂不考虑外界附加电场的作用；在讨论逆压电效应时，暂不考虑外界附加力场的作用；忽略磁场和温度场的影响。 6.1.1 压电效应 由于对称性，石英晶体的压电系数矩阵表示为 6.1.1 压电效应 结论 (1)压电晶体的正压电效应和逆压电效应是对应存在的，哪个方向上有正压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应。而且力—电之间呈线性关系。 (2)石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应。 6.1.1 压电效应 石英晶体的压电效应与其内部分子结构有关。一个单元组体中构成石英晶体的硅离子Si4＋和氧离子O2－在垂直于z轴的平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 6.1.1 压电效应 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，每两个相对顶点上的电荷形成一个电偶极矩，共形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3，它们的矢量和为零。电偶极矩的大小为 6.1.1 压电效应 当石英晶体沿x轴方向被压缩时，沿y方向产生拉伸变形，使正负离子的相对位置改变。P1、P2、P3的矢量和不再为零，在x轴方向的分量小于零，因而在x轴正方向的晶体表面上产生负电荷，在相对表面上产生正电荷。 6.1.1 压电效应 当石英晶体沿y方向被压缩时，x轴方向产生的电荷极性相反，所以有d12与d11符号相反。另由对称性可知d12与d11大小相等。即 6.1.1 压电效应