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第6章压电式传感器
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第6章压电式传感器
压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的压电效应, 是典型的有源传感器。当材料受力作用而变形时, 其表面会有电荷产生,从而实现非电量测量。压电式传感器具有体积小#, 重量轻#, 工作频带宽等特点, 因此在各种动态力、机械冲击与振动的测量, 以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到了非常广泛的应用。
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, 其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, 其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。
在自然界中大多数晶体具有压电效应, 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的灵敏度。
(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) 机械耦合系数在压电效应中, 其值等于转换输出能量(如电能)与输入的能量(如机械能)之比的平方根; 它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) 居里点压电材料开始丧失压电特性的温度称为居里点。
一、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 轴称为电轴, 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 方向受力时不产生压电效应。
若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 6 - 2(c)所示晶片, 当在电轴方向施加作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上将产生电荷, 其大小为
 qx = d11 fx (6 - 1)
式中: d11——x方向受力的压电系数; 
fx——作用力。
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
 qy=d12 fy (6 - 2)
式中: d12——y轴方向受力的压电系数, d12=-d11;
a、 b——晶体切片长度和厚度。
电荷qx和qy 的符号由所受力的性质决定。
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Si4+离子, “”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。