传感器原理与检测技术 教学课件 钱显毅 课件 第五章 压电式传感器.pdf

第五章 压电式传感器 第五章 压电式传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器，它以某些 电介质的压电效应为基础，其基本工作原理是在外力作用 下，电介质的表面上产生电荷，即压电效应；压电传感器 的两表面所形成的极板相当于电容器的两个极板，输出量 是电荷，从而实现非电量的电测目的，所显示的电压取决 于压电传感器的电容。主要用于测力和可转化为力的物理 量，如压力、应力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪 比大、结构简单、工作可靠、质量轻等优点。近年来，由 于电子技术的飞速发展，随着与之配套的仪表以及低噪声、 小电容、高绝缘电缆的出现，使压电传感器的使用更为方 便。因此，在工程力学、生物医学、电声学等许多技术领 域中，压电式传感器获得了广泛的应用。 第五章 压电式传感器 第五章 压电式传感器 压电式传感器的主要材料是电介质材料中石英晶体 (SO2)电介质是最常用的压电材料。还有一类人工合成的 多晶体陶瓷电介质，如钦酸钡、锆钛酸铅等，也作为压电 材料得到应用。 5.1 压电效应 自然界有许多晶体，它们是由极性分子构成的，当沿 着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象， 同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷；当外力去掉 后，又重新恢复不带电状态。这种现象称为压电效应。当 作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。相反，在电介 质的极化方向施加电场，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）。 5.1.1石英晶体压电效应 图5-1表示了天然结构石英晶体的理想外形。石英结晶 是一个正六面体，在晶体学中它可以三根互相垂直的轴 来表示。其中纵向轴Z-Z称为光轴；经过正六面体棱线， 并垂直于光轴的X-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-Y方向的力作用 下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴Z- Z方向受力则不产生压电效应。 （a）理想石英晶体的 外形 (b) 坐标系 图5-1 石英晶体 Si4 5.1.1石英晶体压电效应 石英晶体所以具有压电效应，是与它的内部结构分开的。 2 组成石英晶体的硅离子Si ４－和氧离子O 在平面投影，如 图5-2 （a）所示。为讨论方便，将这些硅、氧离子等效 为图5-2 （b）中六边形排列，图中“ ”代表Si ４－，  2 “ ”代表2O .  4 2O2 当作用力F=0时，正、负离子（即 和 ）正好 2 Si 分布在六边形顶角上，形成三个互成120°夹角的偶极 矩 P , P , P如图5-3 （a）所示。此时正负电荷 1 2 3 中心重合，电偶极矩的矢量和等于零,即 P  P  P 0 1 2 3 5.1.1石英晶体压电效应 当晶体受到沿X方向的压力（F 0）作用时，晶体沿X 方向将产生收缩，正、负离子相对位置随之发生变化， 如图5-3 （b）所示。此时正、负电荷中心不再重合，电 偶极矩在