6.1压电效应VIP专享

1 第6章 压电式传感器 压电式传感器是有源的双向机电传感器。它利用压电材料的压电效应实现信息转换。当压电材料表面受力作用变形时，其表面会有电荷产生，从而实现非电量测量。 6.1压电效应 某些物质，当沿着一定方向施加压力或拉力时，会发生形变，其内部就产生极化现象，同时，其外表面上产生极性相反的电荷；当外力拆掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力方向反向时，电荷极性也相反；电荷量与外力大小成正比。这种现象叫正压电效应。如图6.1.1 所示。 FFFFQ 图6.1.1 （正）压电效应 反之，当对某些物质在极化方向上施加一定电场时，材料将产生机械形变，当外电场撤销时，形变也消失，这叫逆压电效应，也叫电致伸缩。压电效应的可逆性如图6.1.2 所示。利用这一特性可实现机—电能量的相互转换。 压电介质正压电效应逆压电效应机械能电能 图6.1.2 压电效应的可逆性 压电式传感器大都采用压电材料的正压电效应制成。大多数晶体都具有压电效应，而多数晶体的压电效应都十分微弱。随着对压电材料的深入研究，发现石英晶体和人造压电陶瓷是性能优良的压电材料。 6.1.1石英晶体的压电效应 石英是硅石的一种，现在已能人工制造，它的化学成分是2SiO ，其晶体单元的形状为六角锥体。如图6.1.3 所示。 （a） （b） （c） 图6.1.3 石英晶体 石英晶体个方向的特性不同。为了便于研究，人们根据石英晶体的物理特性，在石英晶体内画出三种几何对称轴，连接两个锥顶点的一根轴 Z 叫光轴，它是晶体的对称轴，光线沿Z 轴通过晶体时，不产生双折射现象，因而以它作为基准轴，也叫中性轴；连接晶体横截面中对角线的三条轴 X 叫电轴，该轴的压电 2 效应最为显著；横截面中与电轴相互垂直的三条轴Y 叫机械轴，在此轴上加电场，产生机械形变最大，故也叫力轴。 若从晶体上沿 y 方向切下一块如图 6.1.3（c）所示的晶片，当在电轴 x方向施加作用力时，在与电轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为 11xxqd F （6.1.1） 其中11d 为 x方向受力时的压电系数，xF 为作用力。 若在同一切片上，沿机械轴 y 方向施加作用力yF ，则仍在与 x轴垂直的平面上产生电荷yq ，其大小为 1211yyyaaqdFdFbb  （6.1.2） 其中12d为 y 轴方向受力的压电系数，因为石英轴对称，故1211dd ；a 、b 为晶体切片长度的和厚度。电荷xq 和yq 的符号由所受力的性质（拉力 or 压力）决定。xq 的大小与晶片几何尺...