第章 瓜电传感器 电子信息及电气工程系
第11章 压电传感器 电子信息及电气工程系
117压电传感器的工作原理 压电效应 1、正压电效应 沿某些电介质的一定方向施加力而使之变 形时,内部产生极化现象,两个表面产生符 号相反的电荷,去掉外力后复原。 2、逆压电效应 在介质的极化方向施加(交变)电场,它 会产生机械变形,取掉外加电场后变形消失
11-1 压电传感器的工作原理 一、压电效应 1、正压电效应： 沿某些电介质的一定方向施加力而使之变 形时，内部产生极化现象，两个表面产生符 号相反的电荷，去掉外力后复原。 2、逆压电效应： 在介质的极化方向施加（交变）电场，它 会产生机械变形，取掉外加电场后变形消失
3、压电效应是可逆的。 以压电效应为基础制作的传感器,又称 为发电式传感器、双向传感器、有源传感器 、石英晶体的压电特性 1、结构:单晶体,六角形晶柱 Z轴:3,纵向轴,光轴,无压电效应 X轴:1,经过正六面体棱线,垂直于光轴 电轴(纵向压电效应) Y轴:2,垂直于X、z轴,机械轴(横向压 电效应)
3、压电效应是可逆的。 以压电效应为基础制作的传感器，又称 为发电式传感器、双向传感器、有源传感器 。 二、石英晶体的压电特性 1、结构：单晶体，六角形晶柱 Z轴：3，纵向轴，光轴，无压电效应； X轴：1，经过正六面体棱线，垂直于光轴 电轴（纵向压电效应） Y轴：2，垂直于X、Z轴，机械轴（横向压 电效应）
2、计算 dmm产生电荷的面的轴向 n施加作用力的轴向 1)压电晶体切片在方向受压缩力G作用, 产生厚度变形: 极化强度P=d= du Flb=9x/b 则:qx=dmFx与尺寸无关。 2)沿y方向施加力F,产生长度变形: 极化强度P=d0,=dFhb=qb 则:qx=dF1bhb= duf.wh与尺寸相关 Sx= lb Sy= hb 由于:dm=-l2(各向异性) 则:qx=-dFn∥h
2、计算 dmn m—产生电荷的面的轴向 n—施加作用力的轴向 1）压电晶体切片在X方向受压缩力σx作用， 产生厚度变形： 极化强度Px = d11 σx = d11 Fx/lb = qx / lb 则： qx = d11 Fx 与尺寸无关。 2）沿y方向施加力Fy ，产生长度变形： 极化强度Py = d12 σy = d11 Fy/hb = qx / lb 则： qx = d12 Fy lb/ hb = d12 Fy l/ h 与尺寸相关 Sx = lb Sy = hb 由于：d11 = -d12 （各向异性） 则： qx = -d11 Fy l/ h
3)沿Z轴方向施加力,无变形,无极化。 4)无体积变形,无极化 3、分析 偶极距:p=q;矢量方向:从负指向正 无压力时:p=p+p2+p=0 正负电荷中心重合 施加F,:P,=(+p2+p)0 P,=0,P=0上正下负
3）沿Z轴方向施加力，无变形，无极化。 4）无体积变形，无极化。 3、分析 偶极距： p = ql ； 矢量方向：从负指向正 无压力时： p = p1 + p2 + p3 = 0 正负电荷中心重合 施加Fy ： Py = (p1 + p2 + p3 ) 0 , Py = 0, Pz = 0 上正下负
施加F:P=0 施加FF,F:P=0 结论:q只与Fx,F的大小和方向有关,但 剪切力、扭力会引起形变。各向异性 A++++ Q 26 \PI P O P2 P ⊙-P2Ps QP2P3④ B+4++++ B
施加Fz ： P= 0 施加Fx， Fy， Fz ： P= 0 结论： qx只与Fx ， Fy的大小和方向有关，但 剪切力、扭力会引起形变。各向异性
4、石英晶体(天然晶体SiO2)的特点 稳定,在居里点(575)内其压电系数 (dn=2.31×1012CN)不随温度而变; 很大的机械强度和稳定的机械性质; 但压电系数比其它材料要低得多
4、石英晶体（天然晶体SiO2 ）的特点 稳定，在居里点（575 0C）内其压电系数 （ d11 =2.31×10-12 C/N）不随温度而变； 很大的机械强度和稳定的机械性质； 但压电系数比其它材料要低得多
三、压电陶瓷(人造多晶体) 1、极化: 在100~1700C和外电场(1~4kvmm)的作 用下,电畴的极化方向趋于按外电场排列,从而使 材料得到极化。极化后,其内部存在很强的剩余极 化,当其受到外力作用时,电畴的界限发生移动, 因此引起极化强度的变化,产生了压电效应 未极化 (b)正在极化 (c)极化后
三、压电陶瓷（人造多晶体） 1、极化： 在100～170 0C和外电场（ 1～4kv/mm）的作 用下，电畴的极化方向趋于按外电场排列，从而使 材料得到极化。极化后，其内部存在很强的剩余极 化，当其受到外力作用时，电畴的界限发生移动， 因此引起极化强度的变化，产生了压电效应
2、计算 q= d33 F=-d32FS/Sv=-d3IFS/S 化面 平面各向同性 F 十十+十 F 图8-3压电陶瓷压电原理图
2、计算： q = d33F=- d32F Sx/ Sy =- d31F Sx/ Sy 平 面 各 向 同 性
3、压电陶瓷的特点: 较之石英晶体有很高的灵敏度 稳定性和机械强度不如石英晶体 四、压电元件的联接及结构飛式 1、联接 串联:q=q,n=2u, C/2 宜电压输出,C小,测快速信号; 并联:q=2q,n`=u,c'=2c 宜电荷输出,C大,测慢速信号
3、压电陶瓷的特点： 较之石英晶体有很高的灵敏度； 稳定性和机械强度不如石英晶体。 四、压电元件的联接及结构形式 1、联接 串联：q` = q, u` = 2u, c` = c/2 宜电压输出，C小，测快速信号； 并联：q` = 2q, u` = u, c` = 2c 宜电荷输出，C大，测慢速信号
