第6章-压电式传感器

1、第6章-压电式传感器 某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有其某两个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称关），当外力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为为“正压电效应正压电效应” 机械能转变为电能机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为生电荷的两个表面）施加电场，它又会产生机

2、械形变，这种现象称为“逆压电效应逆压电效应”电能转变为机械能电能转变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。称为压电材料。F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性 压电效应的物理机制压电效应的物理机制 石英晶体：石英晶体：zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)现象：现象： 沿电轴沿电轴x 方向施力，在方向施力，在 x轴表面产生电荷轴表面产生电荷 纵向压电效应纵向压电效应 沿力轴沿力轴y 方向施力，也在方向施力，也在 x轴表面产生电荷轴表面产生电荷

3、 横向压电效应横向压电效应 沿光轴沿光轴z 方向施力，表面不产生电荷；方向施力，表面不产生电荷；若改变受力方向，表面极性也相应改变；若改变受力方向，表面极性也相应改变； 可以使可以使x、y方向都受压或受拉。方向都受压或受拉。压电晶体压电晶体 石英晶体石英晶体(天然、人工天然、人工)：对温湿度变化不敏感，稳定性好，弹性模数大，能承对温湿度变化不敏感，稳定性好，弹性模数大，能承受受108Pa压力，绝缘性、重复性均好，精度高，天然石英尤佳。价格贵，常用于精度和压力，绝缘性、重复性均好，精度高，天然石英尤佳。价格贵，常用于精度和稳定性要求高的场合和制作标准传感器。稳定性要求高的场合和制作标准传感器。

4、铌酸锂：铌酸锂：化学单晶，居里点高达化学单晶，居里点高达12000C，特别适合做高温传感器。质地脆，耐冲击性，特别适合做高温传感器。质地脆，耐冲击性差，加工和使用时要小心谨慎，避免急冷急热。价格也较贵。差，加工和使用时要小心谨慎，避免急冷急热。价格也较贵。压电陶瓷压电陶瓷 多晶体，种类很多，如钛酸钡多晶体，种类很多，如钛酸钡(铅铅)、锆酸铅等，耐温湿较好（不如石英），便宜，压电、锆酸铅等，耐温湿较好（不如石英），便宜，压电效应强，但噪声大，对于高稳定性传感器其应用受到限制。效应强，但噪声大，对于高稳定性传感器其应用受到限制。新型压电材料新型压电材料 压电半导体：压电半导体：既有压电特性又有半导

5、体特性，可设计制作集成压电传感器测试系统。既有压电特性又有半导体特性，可设计制作集成压电传感器测试系统。 有机高分子压电材料有机高分子压电材料：柔韧性好：柔韧性好 压电陶瓷：压电陶瓷： 压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电压电陶瓷的压电效应机理与石英晶体大不相同，未经极化处理的压电陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强陶瓷材料是不会产生压电效应的。压电陶瓷经极化处理后，剩余极化强度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），度会使与极化方向垂直的两端出现束缚电荷（一端为正，另一端为负），由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附

6、一层来自外界的自由电由于这些束缚电荷的作用在陶瓷的两个表面吸附一层来自外界的自由电荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或荷，并使整个压电陶瓷片呈电中性。当对其施加一个与极化方向平行或垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，垂直的外压力，压电陶瓷片将会产生形变，片内束缚电荷层的间距变小，一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电一端的束缚电荷对另一端异号的束缚电荷影像增强，而使表面的自由电荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。荷过剩出现放电现象。当所受到的外力是拉力时，将会出现充电现象。图图7-5束缚电荷

7、和自由电荷排列示意图束缚电荷和自由电荷排列示意图 自由电荷自由电荷自由电荷自由电荷电极电极束缚电荷束缚电荷等效电路及转换电路等效电路及转换电路 内部一个电荷源内部一个电荷源Q和一个电容器和一个电容器C并联并联 电荷等效电路电荷等效电路一个电压源一个电压源U=Q/C和一个电容器和一个电容器C串联串联 电压等效电路电压等效电路tFCdCFdCQUmaaasin3333)(1)1/(33aiCCRjRjFdCjRZUUCiCcCadFUKmimu33时22233)(1|icamiCCCRRFdUUiU0UAiRiCaRcCaCUiU0UARCaC结论结论CiCcCadFUKmimu33时)(/(1)(1icaiaicaLCCCRRCCCR21)(1)(|222icaicaimiiCCCRCCCCUUKFCQU0足够大，若)1 (1/11/)(1/0ACjARUCjRA