第七章压电式传感器

X
② 加电场
•
电畴方向发生转动, 趋向于按外电场方向排列, 从而使材料得到
极化。
•
外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。
➢ 若外电场强度大到，使材料的极化达到饱和程度, 即所有电畴极化方 向都整齐地与外电场方向一致。当外电场去掉后, 电畴的极化方向基 本不变, 这时的材料具有压电特性。
当作用力方向改变时, 电荷的极性也随之改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质极化方向施加电场, 这些电介质也会产生变形。可将电能转换为机械能， 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。
X
1 石英晶体
➢ 自然界许多晶体具有压电效应，但十分微弱，研究发 现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅是优能的压电材料。
如果作用力Fx改为拉力时，则电荷仍出现在在垂直于X轴的平面上，但 极性相反，如图（a）、（b）。
➢
在同一晶片上作用力是沿着Y轴（机械轴）的方向，其电荷仍在与
X轴垂直平面上出现，其极性见图（c）、（d），此时电荷的大小为
qxy d12 blbhFy
X
根据石英晶体轴的对称条件
d12d11
qxy d11hl Fy
负号：表示沿Y轴（机械轴）的压缩力产生的电 荷与沿X轴（电轴）施加的压缩力所产生的电荷极性 相反。
由式可见，沿机械轴方向对晶片施加作用力时，产 生的电荷量是与晶片的几何尺寸有关的。
X
2、压电陶瓷
①未加电场 压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。在无外电场作用时, 电畴 在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相互抵消, 压电陶瓷内极化强度 为零。 因此，原始的压电陶瓷呈中性,
X
压电陶瓷在极化面上受到垂直于它的均匀分布的作用力时（亦即作 用力沿极化方向），则在这两个镀银极化面上分别出现正、负电荷。其
电荷量q与力F成正比，比例系数为 d33，亦即
qd33F
式中d33——压电陶瓷的纵向压电系数。 在压电陶瓷中，通常把它的极化方向定为Z轴（下标3），这是它的 对称轴，在垂直于Z轴的平面上，任意选择的正交轴为X轴和Y轴。
第7章 压电式传感器
7.l 压电式传感器的工作原理
§7.1.1 压电效应 §7.1.2 压电效应的物理解释 7.2 压电元件常用结构形式
7.3 压电元件的等效电路及测量电路
电式加速度传感器
§7.4.1 工作原理及特性 §7.4.2 压电加速度传感器的典型结构 §7.4.3 压电式加速度传感器的应用 7.5 压电式压力传感器
概述
压电加速度计
压电陶瓷超声换能器
压电警号
压电陶瓷位移器
压电秤重浮游计
7.1.1 压电效应
某些电介质（晶体）
➢ 当沿着一定方向施加力变形时， 内部产生极化现象，同时在它表 面会产生符号相反的电荷；
➢ 当外力去掉后，又重新恢复不 带电状态；
➢当作用力方向改变后，电荷的 极性也随之改变；
❖ 这种现象称压电效应。
X
极化压电陶瓷的平面是各向同性的。
即：压电常数可用等式 d32=d31表示。它表明平行于极化轴（Z轴） 的电场，与沿着 Y轴（下标2）或X轴（下标１）的轴向应力的作用
关系是相同的。
极化压电陶瓷受到均匀分布的作用力F时，在镀银的极化面上， 分别出现正、负电荷q。
qd32FAyAx d31FAyAx
式中
➢ 压电材料可以分为两类：压电晶体、压电陶瓷。
外形结构
压 电 晶 片
人工合成水晶
按特定方向切片
1.石英晶体
石英晶体是单晶体结构。 构成：它是一个正六面体，有右旋和左旋晶体之分， 外形互为镜像对称。 石英晶体各个方向的特性是不同的。
X
• 电轴（X轴）：垂直于此轴面上的压电效应最强。 • 机械轴（Y轴）：在电场沿X向作用下，沿该轴方
X
从晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图所示。
当晶片在沿X轴(电轴)的方向上受到压缩应力sxx的作用时，晶片将产生厚
度变形，并发生极化现象。在晶体的线性弹性范围内，极化强度Pxx与应
力Fxx 成正比，即
Pxxd11 xxd11F lbx
极化强度Pxx，等于晶片表面的电荷密度， 即
把Pxx值代入得
Pxx
q xx lb
qxxd11Fx
由式看出，当晶片受到X向的压力作用时，qxx与作用力Fx成正比，而
与晶片的几何尺寸无关。
X
石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图所示
X
Fx
X Fx
X
X
Fy
Fy
（ a）
（ b）
（ c）
（ d）
➢ 在X轴（电轴）方向施加压力时，左旋石英晶体的X轴正向带正电；
❖ 压电效应是可逆的
➢在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变， 将电能转化成机械能，这种现象称“逆压电效应”。
• 所以压电元件可以将机械能——转化成电能
➢ 也可以将电能——转化成机械能。
机 械 能
压电元件
电 能
7.1压电式传感器的工作原理
7.1.1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, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相对位移）, 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, 其又重新恢 复到不带电状态， 这种现象称压电效应。
§7.5.1 压电式压力传感器的原理及结构 §7.5.2 压电式压力传感器的结构及应用
概述
➢ 压电式传感器是一种典型的发电型传感器， 以电介质的压电效应为基础，外力作用下在 电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 ➢ 压电式传感器可以对各种动态力、机械冲 击和振动进行测量，在声学、医学、力学、 导航方面都得到广泛的应用。
Ax——极化面的面积； Ay——受力面的面积。
F
极化面
F
F
F
(a)
(b)
X
7.1.2压电效应的物理解释
石英晶体的压电特性与其内部分子的结构有关。 其化学式为 SiO2。在一个晶体单元中有三个硅离 子 Si4+和六个氧离子 O2-，后者是成对的。所以一 个硅离子和两个氧离子交替排列。
向的机械变形最大。 • 光轴（Z轴）：垂直于XY。光线沿该轴通过石英晶
体时，无折射，在此方向加外力，无压电效应现象 。 “纵向压电效应”: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”,; “横向压电效应”:沿机械轴y 方向的作用下产生电荷 的压电效应称为“横向压电效应”。 沿光轴z 方向受力时不产生压电效应。