课题8 压电式传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（北京理工大学版）

课题8 压电式传感器及其应用 任务1 认识压电效应及压电材料 任务2 压电式传感器测量电路 任务3 压电式传感器的应用 任务4 压电传感器项目实训—振动式防盗报警器 返回 任务1 认识压电效应及压电材料 8.1.1压电效应 1.压电效应的概念 某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，其内部就产生极化现象，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，其又重新恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。相反，当在电介质极化方向施加电场，这些电介质也会产生变形，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，压电材料能实现机一电能量的相互转换，如图8-2所示。 下一页 返回 任务1 认识压电效应及压电材料 2.压电效应原理 具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料等。现以石英晶体为例，简要说明压电效应的机理。 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶体，属于六角晶系。图8-3(a)为天然晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有3个晶轴:x轴、y,轴和z轴，如图8-3(b)所示。z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致;x轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴;y,轴又称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。 上一页 下一页 返回 任务1 认识压电效应及压电材料 从晶体上沿xyz轴线切下的一片平行六面体的薄片称为晶体切片。它的6个面分别垂直于光轴、电轴和机械轴。通常把垂直于x轴的上下两个面称为x面，把垂直于y,轴的面称为y.面，把垂直于z轴的面称为z面，如图8-3(c)所示。当沿着x轴对晶片施加力时，将在x面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y,轴施加力的作用时，电荷仍出现在x面上，这称之为横向压电效应。当沿着:轴方向受力时不产生压电效应。 石英晶体的压电效应与其内部结构有关，产生极化现象的机理可用图8-4来说明。石英晶体的化学式为SiO2，它的每个晶胞中有3个硅离子和6个氧离子，一个硅离子和两个氧离子交替排列(氧离子是成对出现的)。沿光轴看去，可以等效地认为有如图8 -4 (a)所示的正六边形排列结构。 上一页 下一页 返回 任务1 认识压电效应及压电材料 (1)在无外力作用时，硅离子所带的正电荷等效中心与氧离子所带负电荷的等效中心是重合的，整个晶胞不呈现带电现象，如图8 -4 (a)所示。 (2)当晶体沿电轴(x轴)方向受到压力时，晶格产生变形，如图8 -4 (b)所示。硅离子的正电荷中心上移，氧离子的负电荷中心下移，正负电荷中心分离，在晶体的x面的上表面产生正电荷，下表面产生负电荷而形成电场。反之，如果受到拉力作用时，情况恰好相反，x面的上表面产生负电荷，下表面产生正电荷。如果受到的是交变力，则在x面的上下表面间将产生交变电场。如果在x上下表面镀上银电极，就能测出所产生电荷的大小。 上一页 下一页 返回 任务1 认识压电效应及压电材料 (3)同样，当晶体的机械轴(y.轴)方向受到压力时，也会产生晶格变形，如图8 -4 (c)所示。硅离子的正电荷中心下移，氧离子的负电荷中心上移，在x面的上表面产生负电荷，在x面的下表面产生正电荷，这个过程恰好与x轴方向受压力时的情况相反。 (4)当晶体的光轴(z轴)方向受到受力时，由于晶格的变形不会引起正负电荷中心的分离，所以不会产生压电效应。 在晶体的弹性限度内，在x轴方向上施加压力Fx时，x面上产生的电荷为 上一页 下一页 返回 任务1 认识压电效应及压电材料 式中，d11为压电常数。 在Y轴方向施加压力时，在x面上产生的电荷为 式中，l、δ分别为石英晶片的长度与厚度。 从式(8 -2)可见沿机械轴方向的力作用在晶体上时，产生的电荷与晶体切面的几何尺寸有关，式中的负号说明沿机械轴的压力引起的电荷极性与沿电轴的压力引起的电荷极性恰好相反。 上一页 下一页 返回 任务1 认识压电效应及压电材料 8.1.2压电材料 1.压电材料的主要特性参数 压电材料的主要特性参数有如下几个。 (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的灵敏度。 (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。 上一页 下一页 返回 任务1 认识压电效应及压电材料 (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)机械藕合系数 在压电效应中，其值等于转换输出能量(如电能)与输入能量(如机械能)之比的平方根;它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数。 (5)绝缘电阻 电阻压电材料的绝缘电阻能减少电荷泄漏，从而改善压电传感器的低频特性。 上一页 下一页 返回 任务1