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第六章压电传感器
第一节压电传感器工作原理
一、压电效应
二、石英晶体的压电效应
三、压电陶瓷压电效应
四、压电材料及其特性
第二节压电传感器测量电路
一、压电元件及其等效电路
二、电压输出型测量电路
三、电荷输出型测量电路
第三节压电传感器的应用
一、压电式力传感器
二、压电式压力传感器
三、压电式加速度传感器
第六章压电传感器
自然界里,大多数晶体都具有压电效应,只
是大多数晶体的压电效应很微弱,没什么实用价
值。石英晶体、人工制造的压电陶瓷、钛酸钡、
锆钛酸铅(PZT)等多晶压电材料都具有良好的压
电效应。
压电传感器是一种典型的有源传感器,它以
某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,
电介质表面产生电荷,从而实现外力与电荷量间
的转换,达到非电量的电测目的。
n第一节压电传感器工作原理
n一、压电效应
n某些电介质,当沿着一定方向对其施力
而使它变形时,在介质内部将产生极化现
象,而在介质的两个表面会产生数量相等、
符号相反的电荷,形成电场;当外力去掉
后,又重新回到不带电状态;当外力方向
改变时,电场的极性也随着改变,这种现
象被称之为压电效应。相反,在电介质极
化方向施加电场时,这些电介质会产生变
形,这种现象称之为逆压电效应,或电致
伸缩效应。
具有压电效应的电介质很多,但大多数因压电效应微弱而没有
实用价值;目前具有良好压电效应的电介质有石英晶体和压电陶瓷。
石英晶体的压电效应与其内部结构有关。
图6-1石英晶体切片
二、石英晶体的压电效应
1.石英晶体切片
石英晶体即二氧化硅(SiO2),天然的石英晶体理想
外形是一个正六面棱体,如图6-1(a)所示。在晶体学
中,为了分析方便,把它用三根互相垂直的轴X、Y、Z来
描述。其中纵向轴Z称之为光轴(Z轴无压电效应),它
贯穿正六面棱体的两个棱顶;X轴称为电轴,它经过正六
面棱柱的棱线且与光轴正交;Y轴称为机械轴,它同时垂
直于X轴和Z轴。作为电压元件,对正六面棱体的石英晶
体应作切片处理,石英晶体在XYZ直角坐标中,沿不同方
位进行切片,可得到不同的几何切型,不同切型的晶片,
其压电常数、弹性系数、介电常数、温度特性等都不一样。
当石英晶体沿ZOY平面切片,如图6-1(c)所示,此时
电轴X垂直于切片平面。
2.切片内离子分布
石英晶体的分子结构是由三个硅原子和六个氧原子组
成的共价键单元晶体,在共价键结构中,每个硅原子失去
电子变成带四个正电荷的硅离子,每个氧原子得到电子变
成带二个负电荷的氧离子,氧离子成对出现,三个硅离子
和三对氧离子在X-Y平面上的投影正好是六边形的六
顶角,如图6-2所示。
图6-2石英晶体切片内离子分布
当石英晶体未受外力作用时,单元晶体中的三个硅离
子和三对氧离子正好连成正六边形,如图6-2(a)所示,
晶体内正、负电荷的电偶极矩(其大小为P=qL,q为电
荷量,L为正、负电荷之间的距离;其方向为由负电荷指
向正电荷)P1、P2、P3大小相等、互成120°夹角,即晶体
内正、负电荷中心重合,电偶极矩矢量和P1+P2+P3=0,此
时晶体表面不产生电荷,晶体对外呈电中性。
当石英晶体受X轴向压力Fx作用时,如图6-2(b)
所示,晶体受压力而变形(但正六边形边长保持不变),
晶体内正、负离子的相对位置发生变化,电偶极矩P1减小、
P2和P3增大,电偶极矩矢量和在X轴向分量(P1+P2+P3)x>0,
因而在垂直于X轴正向的晶体表面上出现正电荷,其相对
面上出现等量负电荷。此时电偶极矩矢量和在Y轴和Z轴
向分量(P1+P2+P3)y=0、(P1+P2+P
和Z轴的晶体表面上不出现电荷。
当石英晶体受Y轴向压力F作用时,如图6-2(c)
y
所示,晶体受压力亦变形,晶体内正、负离子的相对位置
发生变化,此时电偶极矩P1增大、P2和P3减小,电偶极矩
矢量和在X轴向分量(P1+P2+P3)x<0,因而在垂直于X轴
正向的晶体表面上出现负电荷,其相对面上出现等量正电
荷。而电偶极矩矢量和在Y轴和Z轴向分量仍为0,不会
在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上出现电荷。
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