文档介绍：第6章压电式传感器
压电式传感器是一种有源的双向机电传感器。
它的工作原理是基于压电材料的压电效应。
石英晶体quartz crystal的压电效应早在1680年即已发现,
1948年制作出第一个石英传感器。
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第6章压电式传感器
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压电效应与压电材料
一、压电效应
某些晶体或多晶陶瓷,当沿着一定方向受到外力作用时,
内部就产生极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷;
当外力去掉后,又恢复到不带电状态;
当作用力方向改变时,电荷的极性也随着改变;
晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。上述现象称为正压电效应。具有压电效应的物体称为压电材料。
反之,如对晶体施加一定变电场,晶体本身将产生机械变形,外电场撤离,变形也随着消失,称为逆压电效应。也称电致伸缩效应。
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压电效应与压电材料
压电式传感器大都是利用压电材料的压电效应制成的。
但由于压电晶体的各向异性,并不是所有的压电晶体都能在以下变形状态下产生压电效应。
压电转换元件受力变形的状态可分为图6-1所示的几种基本形式。
例如石英晶体就没有体积变形压电效应。但它具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。
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压电效应与压电材料
二、典型材料的压电效应
压电材料基本上可分为三大类,即压电晶体、压电陶瓷和有机压电材料。
压电晶体是一种单晶体,例如石英晶体;
压电陶瓷是一种人工制造的多晶体,例如钛酸钡、锆钛酸铅等;
有机压电材料属于新一代压电材料,主要有高分子压电材料。
它们的压电特性各有不同。
图6-4 石英晶体受力方向与电荷极性的关系
压电效应与压电材料
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图6-2 石英晶体的外形和晶轴
石英晶体是SiO2,原先结构对称,电荷呈中性,受到力的作用时,结构发生变化,不同的受力方向会产生不同的压电特性。图6-3 石英晶体压电效应示意图
在沿着X轴方向力的作用下,会产生电荷,称为纵向压电效应;在沿着Y轴方向力的作用下,也会产生电荷,称为横向压电效应;而沿着Z轴方向受力时,不会产生电荷。
压电效应与压电材料
石英晶体不但绝缘性能好,机械强度高,
而且它的压电温度系数很小,在20-200℃温度范围内,温度每升高1℃,%。
除此之外,它的居里温度为575℃,也就是说,当使用温度到575℃时才会失去压电特性。
石英晶体资源较少,价格较贵,
而且它的压电系数比压电陶瓷的压电系数低很多,
因此石英晶体只是在校准用的标准传感器或精度要求很高的传感器中才得到采用。
压电效应与压电材料
压电陶瓷是一种人工制造的多晶铁电体。
铁电体:外电场作用下引起的极化现象在外电场除去后不会消失的电介质。
压电陶瓷材料必须经过一定温度下的极化处理才具有压电特性。
图6-5 压电陶瓷的极化过程和压电原理图
目前常用的压电陶瓷材料有钛酸钡BaTiO3及锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3。后者压电性能(压电系数高的性能好)和温度稳定性都优于前者。
压电效应与压电材料
压电陶瓷与石英晶体相比:
灵敏度高(压电系数是石英晶体的几十倍);
机械强度低,可承受的压力小;
居里点低;
压电陶瓷刚刚极化时特性不稳定,
经过两三个月后压电系数才能保持为一个常数,
经过两年后,压电系数又会下降,所以这类传感器需要经常校准。
压电效应与压电材料
高分子材料的压电效应比较复杂,可以简单用类似铁电体的机理加以解释。
最典型的高分子压电材料是:聚偏氟乙烯
图6-6 聚偏氟乙烯压电效应
高分子材料的压电系数很高,约为压电陶瓷的10倍,
另外高分子材料的声阻抗远小于压电陶瓷,而且具有质量轻、机械强度好、是做电声、生物医用传感器很好的材料。