文档介绍：第11章
压电传感器
电子信息及电气工程系
11-1 压电传感器的工作原理
一、压电效应
1、正压电效应:
沿某些电介质的一定方向施加力而使之变形时,内部产生极化现象,两个表面产生符号相反的电荷,去掉外力后复原。
2、逆压电效应:
在介质的极化方向施加(交变)电场,它会产生机械变形,取掉外加电场后变形消失。
3、压电效应是可逆的。
以压电效应为基础制作的传感器,又称为发电式传感器、双向传感器、有源传感器。
二、石英晶体的压电特性
1、结构:单晶体,六角形晶柱
Z轴:3,纵向轴,光轴,无压电效应;
X轴:1,经过正六面体棱线,垂直于光轴
电轴(纵向压电效应)
Y轴:2,垂直于X、Z轴,机械轴(横向压
电效应)
2、计算
dmn m—产生电荷的面的轴向
n—施加作用力的轴向
1)压电晶体切片在X方向受压缩力σx作用,产生厚度变形:
极化强度Px = d11 σx = d11 Fx/lb = qx / lb
则: qx = d11 Fx 与尺寸无关。
2)沿y方向施加力Fy ,产生长度变形:
极化强度Py = d12 σy = d11 Fy/hb = qx / lb
则: qx = d12 Fy lb/ hb = d12 Fy l/ h 与尺寸相关
Sx = lb Sy = hb
由于:d11 = -d12 (各向异性)
则: qx = -d11 Fy l/ h
3)沿Z轴方向施加力,无变形,无极化。
4)无体积变形,无极化。
3、分析
偶极距: p = ql ; 矢量方向:从负指向正
无压力时: p = p1 + p2 + p3 = 0
正负电荷中心重合
施加Fy : Py = (p1 + p2 + p3 ) < 0 ,
Px = 0, Pz = 0 上负下正
施加Fx : Px = (p1 + p2 + p3 ) > 0 ,
Py = 0, Pz = 0 上正下负
施加 Fz : P = 0
施加 Fx, Fy, Fz : P = 0
结论: qx只与Fx , Fy的大小和方向有关,但
剪切力、扭力会引起形变。各向异性
4、石英晶体(天然晶体SiO2 )的特点
稳定,在居里点(575 0C)内其压电系数( d11 =×10-12 C/N )不随温度而变;
很大的机械强度和稳定的机械性质;
但压电系数比其它材料要低得多。
三、压电陶瓷(人造多晶体)
1、极化:
在100~170 0C和外电场( 1~4kv/mm)的作用下,电畴的极化方向趋于按外电场排列,从而使材料得到极化。极化后,其内部存在很强的剩余极化,当其受到外力作用时,电畴的界限发生移动,因此引起极化强度的变化,产生了压电效应
2、计算:
q = d33F =- d32F Sx/ Sy =- d31F Sx/ Sy
平
面
各
向
同
性
3、压电陶瓷的特点:
较之石英晶体有很高的灵敏度;
稳定性和机械强度不如石英晶体。
四、压电元件的联接及结构形式
1、联接
串联:q` = q, u` = 2u, c` = c/2
宜电压输出,C小,测快速信号;
并联:q` = 2q, u` = u, c` = 2c
宜电荷输出,C大,测慢速信号。