文档介绍：第6章压电式传感器
压电效应及压电材料
压电式传感器测量电路
压电式传感器的应用
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压电效应及压电材料
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。这种现象称压电效应。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”。相反,当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。
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图6-1 压电效应可逆性
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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。
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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。
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表6-1 常用压电材料性能参数
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晶体与非晶体
:晶体是由许多质点(包括原子、离子或分子)在三维空间作有规则的周期性重复排列而构成的固体,非晶体则不呈这种周期性的规则排列。
::质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列。,而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围。c. 晶体具有各向异性,非晶体呈各向同性。
①单晶体质点按同一取向排列。由一个核心(称为晶核)生长而成的晶体②多晶体通常由许多不同位向的小晶体(晶粒)所组成。
晶粒与晶粒之间的界面称为晶界, 多晶体材料一般显示出各向同性——假等向性。
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空间点阵和晶胞
1 阵点将构成晶体的实际质点(原子、离子、分子)抽象成纯粹的几何点称为阵点。
(简称为点阵)
阵点在空间呈周期性规则排列,并具有等同的周围环境的模型。
(空间格子)
作许多平行的直线把阵点连接起来,构成一个三维的几何格架称为晶格。
:在空间点阵中,能代表空间点阵结构特点的小平行六面体。
整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。
b. 晶胞参数
晶胞三条棱边的边长a、b、c及晶轴之间的夹角α、β、γ称为晶胞参数
基矢:a 、 b 、c
任一阵点的位置,ruvw=Ua+Vb+Wc U、V、W:阵点坐标
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七大晶系和十四种空间点阵
根据晶胞的外形,即棱边长度之间的关系和晶轴夹角的情况,将晶体分为七大晶系。

晶系晶轴长度和夹角例

三斜 a≠b≠c α≠β≠γ≠90o K2CrO7单斜 a≠b≠c α=γ=90o≠ββ-S正交 a≠b≠c α=β=γ=90 α-S 六方 a1=a2=a3≠c α=β=90o γ=120o Zn,菱方 a=b=c α=β=γ≠90o As,四方 a=b≠c α=β=γ=90 β-Sn,立方 a=b=c α=β=γ=90o Fe
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晶面指数与晶向指数
晶向:晶体中的某些方向,涉及到晶体中原子的位置,原子列方向,表示的是一组相互平行、方向一致的直线的指向。晶面:晶体中原子所构成的平面。国际上通用的是用密勒指数表示晶面及晶向。
(一)晶向指数,以某一阵点为原点O,以三个基矢为坐标轴,以晶胞边长作为坐标轴的长度单位。。d,[UVW]晶体结构中那些原子密度相同的等同晶向称为晶向轴,用<UVW>表示。(二)晶面指数:①建立坐标系②确定晶面在各坐标轴上的截距③取截距的倒数,并通分,化为最小的简单整数(hkl):晶体中具有等同条件(这些晶面的原子排列情况和面间距完全相同),而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族,用{ hkl }表示。
(三)晶带所有相交于某一晶向直线或平行于此直线