文档介绍：第六章压电式传感器
第六章压电式传感器
压电式传感器的原理:基于某些晶体材料的压电效应,是一种典型的有源传感器(或发电型传感器)。
特点:压电式传感器具有响应频带宽,灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。
压电效应是可逆的,因此压电式传感器是一种典型的“双向传感器”
石英晶体压电效应演示
逆压电效应
机械能
正压电效应
电能
§6-1 压电效应
某些电介质物质,在沿一定方向上受到外力的作用而变形时,内部会产生极化现象,同时在其表面上产生电荷;当外力去掉后,又重新回到不带电的状态,这种将机械能转变为电能的现象,称为“顺压电效应”。
相反,在电介质的极化方向上施加电场,它会产生机械变形,当去掉外加电场时,电介质的变形随之消失。这种将电能转换为机械能的现象,称为“逆压电效应”。
第六章压电式传感器
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
具有压电效应的电介物质称为压电材料。具有压电效应的物质很多,如天然形成的石英晶体,人工制造的压电陶瓷、钛酸钡、锆钛酸铅等。
常见的压电材料可分为两类,即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。
第六章压电式传感器
第六章压电式传感器
一、石英晶体的压电效应
石英晶体有天然和人造石英单晶两种。
石英晶体属六方晶系,是一个正六面体,有右旋和左旋石英晶体之分,在晶体学中用三根互相垂直的轴 Z、X、Y 表示它的坐标。
第六章压电式传感器
Z 轴为光轴(中性轴),它是晶体的对称轴,光线沿Z轴通过晶体不产生双折射现象,因而它的贡献是作为基准轴。
X 轴为电轴(垂直于光轴),该轴压电效应最显著,它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z,显然X轴共有三个。
Y 轴为机械轴(力轴),显然也有三个,它垂直于两个相对的表面,在此轴上加力产生的变形最大。
第六章压电式传感器
第六章压电式传感器
−
+
+
−
−
+
Y
X
p3
p1
p2
(a)
Y
X
+
−
+
+
−
−
p1
p2
p3
−
−
−
−
Fx
+
+
+
+
Fx
(b)
Y
X
−
−
−
−
Fy
+
+
+
+
Fy
+
−
+
+
−
−
p1
p2
p3
(c)
现将组成石英(SiO2)晶体的硅离子和氧离子的排列在垂直于晶体Z轴的xy平面上进行投影,等效为正六边形排列。
图中“”代表Si4+,“”代表2O2−。
+
−
第六章压电式传感器
当石英晶体未受力作用时,正、负离子(即Si4+和2O2−)正好分布在正六边形的顶角上,形成三个大小相等,互成120°夹角的电偶极矩 p1、 p2 和 p3。
电偶极矩的矢量和等于零,即,这时晶体表面不产生电荷,石英晶体从整体上呈电中性。(见图a)
−
+
+
−
−
+
Y
X
p3
p1
p2
图(a)
第六章压电式传感器
Y
X
+
−
+
+
−
−
p1
p2
p3
−
−
−
−
Fx
+
+
+
+
Fx
图(b)
当石英晶体受到沿X方向的压缩力作用时,晶体沿X方向产生压缩变形,正、负离子的相对位置随之变动,正、负电荷中心不再重合,电偶极矩在X轴方向的分量, ,在X轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。而在Y轴和Z轴方向的分量均为零。在垂直于Y轴和Z轴的晶体表面上不出现电荷。
这种沿X轴作用力,而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象,称为“纵向压电效应”。(见图b)