第7章压电式传感器压电式传感器是由压电元件作为转换元件的有源传感器。它可以将机械能转化为电能，也可以将电能转化为机械能。可以用于与力有关的物理量测量，如：压力，加速度，机械冲击，振动等。下页返回图库有源传感器：无需外接电源早在1680年，发过科学家皮埃尔.居里兄弟发现了石英晶体的压电效应，直到1948年才制作出第一个石英传感器。一、压电效应和压电材料某些物质的材料，当沿一定方向施加外力作用时，会产生变形，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态。上述现象称为正压电效应。下页上页返回图库反之，如对某些物质的材料施加一定变化电场，材料将产生机械变形；外电场撤离，变形也随着消失，称为逆压电效应（负压电效应）。1、压电效应正、负压电效应统称为压电效应。自然界中大多数晶体都具有压电效应。然而，许多经典的压电效应很微弱。只有石英晶体，钛酸钡，锆钛酸铅等可以用作压电式传感器。压电材料根据物理性质大致分为：压电晶体：天然和人造石英晶体，酒石酸钾等多晶体压电陶瓷：人工合成的多晶体，如：钛酸钡，锆钛酸铅下页上页返回图库2、压电材料压电材料是设计高性能传感器的关键，选用时应考虑：①转换性能：具有较高的耦合系数或具有较大的压电常数。②机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、机械刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。③电性能：具有高的电阻率和大的介电常数，以期望减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。④温度和湿度稳定性要好：期望得到宽的工作温度范围。⑤时间稳定性：压电特性不随时间蜕变。下页上页返回图库压电材料选用石英晶体的外形和晶轴石英晶体是单晶体结构，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形石英晶体各个方向的特性不同，可用三坐标轴系表述：Z轴：晶体的光轴，沿着Z轴的光线照射到晶体上，不发生双折射现象（双折射：当一束光照射到晶体，产生两束透视光的现象）Y轴：晶体的力轴，沿Y轴施加力，晶体变形最明显X轴：晶体的电轴，沿X轴施加力，压电效应最明显下页上页返回图库3、石英晶体的压电特性石英晶体的外形、晶轴和压电效应退出z轴是光轴，是对称轴，光沿着光轴穿过晶体没有双折射现象。x轴是电轴。石英晶体剖面是6边形，所以电轴x有3个。力沿着电轴施加作用，垂直电轴有压电效应。y轴是机械轴。石英晶体剖面是6边形，所以机械轴y有3个。力沿着机械轴施加作用，也会在垂直电轴有压电效应。石英晶体压电效应示意图退出a)未受力时，3个电偶极矩大小相等，夹角120°,合作用为03个硅离子，3个O2离子在六边形的顶点，形成3个电偶极矩。方向（从负离子指向正离子）b)受挤压力时，p1减小，合作用沿p1反方向c受拉伸力（效果同：y方向挤压时）时，p1增加，合作用沿p1方向石英晶体受力方向与电荷极性的关系退出沿X方向，受挤压力，垂直X轴表面产生电荷，正电荷方向与x轴一致；受拉伸力，垂直X轴表面产生电荷，正电荷方向与x轴相反；沿y方向，受挤压力，垂直X轴表面产生电荷，正电荷方向与x轴相反；受拉伸力，垂直X轴表面产生电荷，正电荷方向与x轴一致；沿z方向，施加力时，对x轴，y轴方向的电偶极距没有影响，因此没有压电效应。退出压电陶瓷的压电机理和石英晶体并不相同。压电陶瓷内部有许多自发极化的电畴（电偶极性相同的小区域）。极化处理以前，各晶粒内电畴的极性任意排列，极化作用相互抵消，对外不显示极化特性。4、压电陶瓷的压电现象压电陶瓷的极化过程和压电原理图退出压电陶瓷的极化过程：在压电陶瓷施加直流外电场，电畴的自发极性与外电场所加方向一致，规则排列“电畴”；极化后，外电场消失，电畴不立即回复原状，有剩余极化强度。由于束缚电荷影响，在压电陶瓷极化两端会吸引外界电荷，这是束缚电荷与自由电荷数量相等，极性相反，因此陶瓷片对外不显示极性。+-压电陶瓷的压电原理图退出压电陶瓷受到与极化方向平行的压力：陶瓷内部束缚电荷（极化电荷）的极距减小，吸引自由电荷的能力减弱，会失去一部分自由电荷，呈现放电现象。当外力撤销，极化强度恢复原状，又会吸引一部分自由电荷，呈现充电现象。...
