第六章 压电式传感器.ppt

文档介绍：第6章压电式传感器
本章的主要内容有
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(电何放大器);
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通过学习应掌握压电式传感器的性能特点及其基本应用方法。
压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量,例如力、压力、加速度等。
压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速,特别是电子技术的迅速发展,使压电式传感器的应用越来越广泛。
基本原理分析
压电效应
某些晶体,在一定方向受到外力作用时,内部将产生极化现象,相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷;当外力作用除去时,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,这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多,如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。
石英晶体的压电效应
石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶,属于六角晶系。,它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴:Z轴又称光轴,它与晶体的纵轴线方向一致;X轴又称电轴,它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴;y轴又称机械轴,它垂直于两个相对的晶柱棱面。
从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时,将在垂直于X轴的表面上产生电荷,这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时,电荷仍出现在与X轴垂直的表面上,这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为
qxx=dxxFx
横向压电效应产生的电荷为
根据石英晶体的对称条件dXY=dXX,所以

由上式可以看出,沿机械轴方向向晶片施加压力时,产生的电荷是与几何尺寸有关的,式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。
石英晶片受压力或拉力时,电荷的极性如下图所示。
石英晶体的每一个晶体单元中,有三个硅离子和六个氧离子,正负离子分布在正六边形的顶角上,如下图所示。当作用力为零时,正负电荷相互平衡,所以外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。
压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷在一定的温度条件下,对压电陶瓷进行极化处理,即以强电场使电畴规则排列,这时压电陶瓷就具有了压电性,在极化电场去除后,电畴基本上保持不变,留下了很强的剩余极化,如下图所示。
对于压电陶瓷,通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时,则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷,下左图,其电荷量q与作用力F成正比,即:q= dzzF ,下右图为: