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* 传感器与检测技术 同济大学电子与信息工程学院控制科学与工程系 主讲教师:苏永清 * 作业!

第三章 3-5, 3-6, 3-7

第四章 4-6, 4-7, 4-8 复习与回顾 重点掌握 差动变压器的结构原理 差动整流电路和相敏检波电路一般了解 电涡流式传感器和工作原理应用 * * 思考 什么是压电式传感器什么是压电效应?正压电效应传感器能否测静态信号?为什么?石英晶体的压电效应有何特点?并说明什么是纵向压电效应?什么是横向压电效应? * * 是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,从而实现非电量测量.

压电传感元件是力敏感元件,所以它能测量最终能变换为力的那些物理量,例如力、压力、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、重量轻等优点.近年来,由于电子技术的飞速发展,随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现,使压电传感器的使用更为方便.因此,在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用. 第5章 压电式传感器 *

一、压电效应正压电效应(顺压电效应):某些电介质,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,同时在它的一定表面上产生电荷,当外力去掉后,又重新恢复不带电状态的现象.当作用力方向改变时,电荷极性也随着改变.逆压电效应(电致伸缩效应):当在电介质的极化方向施加电场,这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力,当外加电场撤去时,这些变形或应力也随之消失的现象. 电能 机械能 正压电效应 逆压电效应

(一)石英晶体的压电效应天然结构石英晶体的理想外形是一个正六面体,在晶体学中它可用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轴称为电轴;

与X-X轴和Z-Z轴同时垂直的Y-Y轴(垂直于正六面体的棱面)称为机械轴. Z X Y (a) (b) 石英晶体(a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系 Z Y X 通常把沿电轴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. 石英晶体具有压电效应,是由其内部结构决定的.组成石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影,如图(a).为讨论方便,将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排列,图中 + 代表Si4+, - 代表2O2-. (b) (a) + + - - - Y X X Y 硅氧离子的排列示意图(a) 硅氧离子在Z平面上的投影(b)等效为正六边形排列的投影 + * 当作用力FX=0时,正、负离子(即Si4+和2O2-)正好分布在正六边形顶角上,形成三个互成120?夹角的偶极矩P

1、P

2、P3,如图(a)所示.此时正负电荷中心重合,电偶极矩的矢量和等于零,即P1+P2+P3=0 当晶体受到沿X方向的压力(FX0 在Y、Z方向上的分量为(P1+P2+P3)Y=0 (P1+P2+P3)Z=0由上式看出,在X轴的正向出现正电荷,在Y、Z轴方向则不出现电荷. Y + + + - - - X (a) FX=0 P1 P2 P3 FX X Y + + + + - - - - FX (b) FX0时,晶体的形变与图(b)相似;

当FY0)作用时,其变化情况如图(c).此时电极矩的三个分量为 在X轴的正向出现负电荷,在Y、Z方向则不出现电荷. 晶体在Z轴方向力FZ的作用下,因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同,所以,正、负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零.这就表明,沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下,晶体不产生压电效应. 假设从石英晶体上切下一片平行六面体――晶体切片,使它的晶面分别平行于X、Y、Z轴,如图.并在垂直X轴方向两面用真空镀膜或沉银法得到电极面. 当晶片受到沿X轴方向的压缩应力σXX作用时,晶片将产生厚度变形,并发生极化现象.在晶体线性弹性范围内,极化强度PXX与应力σXX成正比,即ZYXbl石英晶体切片 t 式中 FX――X轴方向的电场强度;

d11――压电系数,当受力方向和变形不同时,压电系数也不同,石英晶体d11=2.3*10-12CN-1;

l、b――石英晶片的长度和宽度. 极化强度PXX在数值上等于晶面上的电荷密度,即 式中 qX――垂直于X轴平面上的电荷.将上两式整理,得 式中 ――电极面间电容. 其极间电压为 根据逆压电效应,晶体在X轴方向将产生伸缩,即 或用应变表示,则式中 EX――X轴方向上的电场强度. 在X轴方向施加压力时,左旋石英晶体的X轴正向带正电;

如果作用力FX改为拉力,则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷,但极性相反,见图(a)、(b). FX FX + + + + - - - - - - - - + + + + (a) (b) X X Δt=d11UX 如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴的方向,其电荷仍在与X轴垂直平面上出现,其极性见图(c)、(d),此时电荷的大小为 + + + + + + + + - - - - - - - - (c) (d) FY FY X X 式中 d12――石英晶体在Y轴方向受力时的压电系数.根据石英晶体轴对称条件:d11=-d12,则上式为式中 t――晶片厚度.则其极间电压为 根据逆压电效应,晶片在Y轴方向将产生伸缩变形,即或用应变表示由上述可知:无论是正或逆压电效应,其作用力(或应变)与电荷(或电场强度)之间呈线性关系;

②晶体在哪个方向上有正压电效应,则在此方向上一定存在逆压电效应;

③石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的.

(二)?? 压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷属于铁电体一类的物质,是人工制造的多晶压电材料,它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构.电畴是分子自发形成的区域,它有一定的极化方向,从而存在一定的电场.在无外电场作用时,各个电畴在晶体上杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,因此原始的压电陶瓷内极化强度为零,见图(a). 直流电场E 剩余极化强度 剩余伸长 电场作用下的伸长 (a)极化处理前 (b)极化处理中 (c)极化处理后 * 但是,当把电压表接到陶瓷片的两个电极上进行测量时,却无法测出陶瓷片内部存在的极化强度.这是因为陶瓷片内的极化强度总是以电偶极矩的形式表现出来,即在陶瓷的一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电荷.由于束缚电荷的作用,在陶瓷片的电极面上吸附了一层来自外界的自由电荷.这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等,它起着屏蔽和抵消陶瓷片内极化强度对外界的作用.所以电压表不能测出陶瓷片内的极化程度,如图. 自由电荷 束缚电荷 电极 电极 极化方向 陶瓷片内束缚电荷与电极上吸附的自由电荷示意图 如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F,如图,陶瓷片将产生压缩形变(图中虚线),片内的正、负束缚电荷之间的距离变小,极化强度也变小.因此,原来吸附在电极上的自由电荷,有一部分被释放,而出现放电荷现象.当压力撤消后,陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程),片内的正、负电荷之间的距离变大,极化强度也变大,因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象.这种由机械效应转变为电效应,或者由机械能转变为电能的现象,就是正压电效应. 极化方向 正压电效应示意图(实线代表形变前的情况,虚线代表形变........