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
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。
图6-1 压电效应可逆性
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。
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。
表6-1 常用压电材料性能参数
石英晶体
石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图6-2(a)表示了天然结构的石英晶体外形,它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。其中纵向轴z称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴,与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。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”, 而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。
图6-2 石英晶体
(a) 晶体外形; (b) 切割方向; (c) 晶片
若从晶体上沿y方向切下一块如图6-2(c)所示的晶片,当沿电轴方向施加作用力Fx时,在与电轴x垂直的平面上将产生电荷, 其大小为
(6-1)
式中, d11为x方向受力的压电系数。
若在同一切片上,沿机械轴y方向施加作用力Fy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为
(6-2)
式中:d12——y轴方向受力的压电系数,根据石英晶体的对称性, 有d12=-d11;
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
石英晶体的上述特性与其内部分子结构有关。图6-3是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。图中“”代表硅离子Si4+, “”代表氧离子O2-。
当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。如图6-3(a)所示。