2.4压电式传感器(课件）《传感器检测技术》同步教学课件（机械工业出版社）

1 2.4压电式传感器 压电效应 压电传感器的等效电路和测量电路 压电传感器的应用 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。 某些电介质在外力作用下，在电介质的表面上产生 电荷，从而实现非电量的测量。压电式传感器元件是力 敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量， 例如力、应力、加速度等。 2 压 电 效 应 正压电效应：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，并且电荷密度与力大小成 比例，当外力去掉后，介质又重新恢复到不带电状态。 这种现象称为正压电效应。 3 逆压电效应：当在电介质两个表面施加外电场， 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）。 4 F F 极化面 Q 压电介质 机械能 ｛ 电能 ｝ 正压电效应 逆压电效应 压电效应及可逆性 压电材料：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。 5 5 电介质及其极化 电介质就是绝缘体，其主要特征是内部电子处于束缚 状态，当把电介质放入外电场中时，带电粒子只能作微观 的相对位移，因此不导电。 电介质 有极分子 无极分子 有极分子的电偶极矩 p 为： l : 负电荷中心指向正电荷 中心距离 q ：正电荷或（负电荷） 电量 6 极化：在电场作用下，电介质中极化电荷发生位移 或按电场方向转动的现象，称为极化。 自发极化：有一些电介质，当施加外电场时，产生了 极化，当外电场撤去，仍然保持极化状态，这种在没有外 电场作用下，存在由于电偶极子有序排列而产生的极化， 称为自发极化。 7 铁电性：电介质在一定温度范围内具有自发极化的 性质称为铁电性。这种电介质称为铁电体。铁电体内部 可分成若干个小区域，自发极化方向一致的区域称为铁 电畴，简称电畴，如图所示。 8 在一定温度范围内，铁电体的极化强度 P 落后于外 电场强度E 的增长。当外电场足够强时，极化达到饱和。 当E 减小，P 不按原来变化曲线减小；当 E = 0 ，电介 质有剩余极化Pr ；当E 大小和方向作周期变化， P 与E 关系形成回线， 这个回线称电滞回线， 如图所示。 9 铁电体只有在某一温度范围内才具有铁电性，它 有一临界温度Tc，当温度高于临界温度，铁电体发生 结构相改变，由铁电相转向为顺电相，自发极化消失。 这个临界温度称为居里温度。 居里温度:指压电材料开始丧失压电特性的温度。 10 压 电 材 料 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。 压电材料可以分为三大类： 压电晶体（单晶体） 压电陶瓷（多晶体） 高分子压电聚合材料 压电半导体 复合压电材料 11 1．压电单晶体 石英晶体是性能相当稳定的压电材料，它的介电常数 和压电系数非常稳定，在20~200ºC温度范围内，温度每升 高1℃，压电系数仅减小0.016%，升高到200℃时，压电系 数仅减小5%。当温度达到573℃时，石英便失去压电特性， 而此温度称为石英的居里点。 性能稳定，机械强度高，绝缘性能好是石英晶体的突 出优点。但石英晶体价格昂贵，压电系数较低，一般用在 标准仪器或性能要求高的传感器中。 压电单晶体包括石英（SiO2）、铌酸锂（LiNbO3）、 硫酸锂（LiSO4）、酒石酸钾钠（NaKC4H4O6•4H2O）等。 12 13 13 14 14 15 15 石英晶体化学式为SiO2，是单晶体结构，各向异性。 如图是天然结构的石英晶体外形，它是一个正六面体。 有3 个晶轴。 Z轴：纵向轴 ，光轴，此方向不产生压电效应。 X轴：电轴，经过六面体棱线并垂直于光轴。 此方向的压电效应最明显。一般把沿 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” 16 Y轴：机械轴，与x和 z 轴同时垂直的轴。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”。 17 晶体与非晶体材料区别在于晶体的许多物理特性 取决于晶体中的方向，而非结晶材料的特性则与方向 无关。利用石英的压电效应进行力 — 电转换，需将 晶体沿一定方向切割成晶片。适于各种不同应用的切 割方法很多，最常用的就