文档介绍：第11讲压电传感器
压电式传感器是一种发电型的可逆换能器,它利用了某些晶体材料所具有的压电效应,既可以把机械能(力、压力等)转换成电能(电荷、电压等),也可以把电能转换成机械能。
压电传感元件是力敏感元件,它可以测量最终能变换为力的那些非电物理量,例如动态力、动态压力、振动加速度等,但不能用于静态参数的测量。
一、压电传感器的工作原理
压电式传感器是一种自发电式传感器。它以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质表面产生电荷,从而实现非电量电测的目的。
当力的方向改变时,电荷的极性随之改变,输出电压的频率与动态力的频率相同;当动态力变为静态力时,电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。
石英晶体的压电效应演示
天然结构的石英晶体呈六角形晶柱,用金刚石***切割出一片正方形薄片。当晶体薄片受到压力时,晶格产生变形,表面产生正电荷,电荷Q与所施加的力F成正比,这种现象称为压电效应。
若在电介质的极化方向上施加交变电压,它就会产生机械变形。当去掉外加电场时,电介质的变形随之消失,这种现象称为逆压电效应(电致伸缩效应)。
电能
机械能
正压电效应
逆压电效应
Z轴是晶体的对称轴,光轴,该轴方向没有压电效应;
X轴称电轴,电荷都积累在此轴晶面上,垂直于X轴晶面的压电效应最显著;
Y轴称机械轴,逆压电效应时,沿此轴方向的机械变形最显著
从晶体上沿轴线切下的薄片称为“晶体切片”。垂直于电轴X切割的石英片,在与X轴垂直的两面覆以金属,材料常为银或金,用以测量工作面上产生的电荷。
切片在受到不同方向的作用力会产生不同的极化作用。主要的压电效应有纵向效应、横向效应和剪切效应。
压电效应示意图
晶片电荷极性与受力方向关系
FX
FX
+ + + + + +
――――――
X
FX
FX
+ + + + +
―――――
X
FY
FY
FY
+ + + + +
―――――
X
FY
+ + + + +
―――――
X
纵向压电效应
横向压电效应
(b)
(a)
+
+
-
-
-
Y
X
X
Y
硅氧离子的排列示意图
(a) 硅氧离子在Z平面上的投影
(b)等效为正六边形排列的投影
+
石英晶体具有压电效应,是由其内部结构决定的。组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影,如图(a)。为讨论方便,将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列,图中“+”代表Si4+,“-”代表2O2-。
b、c、d、e—压电效应示意图
图石英晶体结构及压电效应
当晶体受到沿X方向的压力(FX<0)作用时,晶体沿X方向将产生收缩,正、负离子相对位置随之发生变化,如图(b)所示。此时正、负电荷中心不再重合,电偶极矩在X方向的分量为(P1+P2+P3)X>0,在X轴的正向出现正电荷.
压电体表面产生的电荷量与作用力成正比。
沿X方向施加作用力Fx时,在与电轴垂直的表面上产生电荷用极化强度Px表示,极化强度P与受力晶面的应力σx成正比:
式中 d11—石英晶体的纵向压电系数
而极化强度等于晶面上的电荷密度
则
电荷量与x轴方向的压缩力成正比,与几何尺寸无关。
如果在同一切片上,沿机械轴Y方向施加作用力Fy时,则在与X轴垂直的平面上产生电荷为:
式中 d12—石英晶体的横向压电系数。
得
电荷量与x轴方向的压缩力成正比,与晶体几何尺寸有关。