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第6章压电式传感器第6章压电式传感器6.1压电效应及压电材料6.2压电式传感器测量电路6.3压电式传感器的应用
第6章压电式传感器1880年,居里兄弟(P.Curie,1859—1906;J.Curie,1855—1941)发现晶体的压电效应。电介质在压力作用下发生极化而在两端表面间出现电位差的性质。1880年法国人P.居里和J.居里兄弟发现石英晶体受到压力时,它的某些表面上会产生电荷,电荷量与压力成正比;称这种现象为压电效应;具有压电效应的物体称为压电体。居里兄弟还证实了压电体具有逆压电效应,即在外电场作用下压电体会产生形变。压电晶体的对称性较低,当受外力作用产生形变时单胞中正负离子的相对位移使得正负电荷中心出现不相等的移动,导致晶体发生宏观极化;而晶体表面电荷密度等于极化强度在表面法向上的投影,故晶体受压力形变时表面出现电荷。
第6章压电式传感器6.1压电效应及压电材料压电效应:某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变形时,内部就产生极化现象,同时在它的两个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。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象,称为“正压电效应”。相在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生几何变形,这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。具有压电效应的材料称为压电材料,压电材料能实现机—电能量的相互转换,如图6-1所示。
第6章压电式传感器逆压电效应正压电效应图6-1压电效应可逆性
第6章压电式传感器5
第6章压电式传感器在自然界中大多数晶体都具有压电效应,但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究,发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为两大类:压电晶体和压电陶瓷。压电材料的主要特性参数有:①压电常数:压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数,它直接关系到压电输出灵敏度。②弹性常数:压电材料的弹性常数、刚度决定着压电器件的固有频率和动态特性。
第6章压电式传感器③介电常数:对于一定形状、尺寸的压电元件,其固有电容与介电常数有关;而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。④机械耦合系数:它的意义是,在压电效应中,转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根,这是衡量压电材料机—电能量转换效率的一个重要参数。⑤电阻:压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏,从而改善压电传感器的低频特性。⑥居里点温度:它是指压电材料开始丧失压电特性的温度。
第6章压电式传感器表6-1常用压电材料性能参数
第6章压电式传感器6.1.1石英晶体石英晶体化学式为SiO,是单晶体结构。2图6-2(a)表示了天然结构的石英晶体外形,它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴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。通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
第6章压电式传感器图6-2石英晶体(a)晶体外形;(b)切割方向;(c)晶片
第6章压电式传感器若从晶体上沿y方向切下一块如图6-2(c)所示的晶片,当沿电轴方向施加作用力F时,在与电轴x垂直的平面上将产生电x荷,其大小为(6-1)式中,d为x方向受力的压电系数。11若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力F,则仍在与xy轴垂直的平面上产生电荷q,其大小为y(6-2)式中:d12——y轴方向受力的压电系数,根据石英晶体的对称性,有d12=-d11;a、b——晶体切片的长度和厚度。
第6章压电式传感器电荷q和q的符号由受压力还是受拉力决定。xy石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。图中“㈩”代表硅离子Si4+,“θ”代表氧离子O2-。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,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P、P、P123图6-3(a)所示。YY+-XX+--+(a)(b)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
第6章压电式传感器13
第6章压电式传感器硅离子Si4+氧离子O2-图6-3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
第6章压电式传感器Y当作用力F=0时,正、负离子(即Si4+X+-和2O2-)正好分
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