第6章压电式传感器 61压电效应及压电材料 6,2压电传感器测量电路 63压电式传感器的应用 返回主目录
6.1 6.2压电传感器测量电路 6.3压电式传感器的应用 第6章 压电式传感器 返回主目录
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
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
61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
6.1 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
机械量一 压电元件 电量 图6-1压电效应可逆性 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
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,其值等于转换输岀能量 (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
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。 石英晶体 石英晶体化学式为SO2,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
（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
表6-1常用压电材料性能 压电材料 石英钛酸钡 锆钛酸铅锆钛酸铅锆钛酸铅 性能 PZT-4 PZT-5 PZT-8 d15=260 d15≈410d15≈670d15≈330 d1=2.31 压电系数/(pC/N) d31=-78a31=-100d1=-185d31=-90 d14=0.73 d3=19043=230d3=600|d3=200 相对介电常数/e 1200 1050 1000 居里点温度/℃ 573 115 310 260 300 密度/(103kg/m3) 2.65 5.5 7.45 7.5 7.45 弹性模量/(103N/m2) 80 110 83.3 117 123 机械品质因数 105~10° ≥500 800 最大安全应力/(105N/m2)95~100 81 76 76 体积电阻率/2·m 102102(25c)>10102(25℃) 最高允许温度/C 550 80 250 250 最高允许湿度/% 100 100 100 100
图6-2石英晶体
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 (6-1) 式中:dl—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f则仍在与 x轴垂直的平面上产生电荷q,其大小为 12 (6-2) 式中:d2y轴方向受力的压电系数,d12=-d1 a、b晶体切片长度和厚度
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,N"代表氧离子O 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
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