DOC《第8章》

第8章 压电式传感器 压电传感器是一种电能量型传感器,它的工作原理是基于某些电介质的压电效应.

在外力作用下,在电介质的表面上产生电荷,实现力与电荷的转换,所以它能测量最终转换为力的物理量,如压力、加速度等.最常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等.压电传感器具有使用频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等优点.近年来,由于电子技术迅猛发展,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,使压电传感器使用更为方便,集成化、智能化的新型压电传感器也正在被开发出来. 8.1 压电效应 对某些电介质,当沿着一定方向对它施加压力时,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,它又重新恢复为不带电状态;

当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变.晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比,这种现象称为压电效应.相反,当在电介质的极化方向上施加电场时,这些电介质也会产生变形,当外电场撤离时,变形也随着消失,这种现象称为逆压电效应. 具有压电效应的物质很多,如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等. 8.1.1 石英晶体的压电效应 石英晶体是最常用的压电晶体之一,图8.1(a)所示为天然结构的石英晶体理想外形,它是一个正六面体,在晶体学中可以用三根相互垂直的轴x、y、z来表示它们的坐标,如图8.1(b)所示.z轴为光轴(中性轴),它是晶体的对称轴,晶体沿光轴z方向受力时不产生压电效应;

经过正六面体棱线并垂直于光轴的x轴为电轴,晶体在沿电轴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,纵向压电效应最为显著;

与z轴和x轴同时垂直的轴为y轴,y轴垂直于正六面体的棱面,称为机械轴,晶体沿机械轴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,在y轴上加力产生的变形最大.从石英晶体上沿轴线切下的一片平行六面体称为压电晶体切片,如图8.1(c)所示. 若从晶体上沿机械轴y轴方向切下一块晶片,当在电轴x方向施加作用力fx时,在与x轴垂直的平面上将产生电荷qx,其大小为 qx=d11fx (8.1) 式中,d11为电轴x方向受力的压电系数;

fx为沿电轴x方向施加的作用力. 若在同一切片上,沿机械轴y轴方向施加作用力fy时,则仍在与x轴垂直的平面上将产生电荷qy,其大小为 (8.2) 式中,d12为机械轴y方向受力的压电系数,d12=-d11;

fy为沿机械轴y方向施加的作用力;

a、b分别为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,当作用力fx和fy的方向相反时,电荷的极性也随之改变. 图8.1 石英晶体 石英晶体受压力或拉力时,电荷的极性如图8-2所示. 石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷呢?可以解释如下: 石英晶体的每一个晶体单元中,有三个硅离子和六个氧离子,正负离子分布在正六边形的顶角上,如图8-3a所示.当作用力为零时,正负电荷相互平衡,所以外部没有带电现象. 如果在X轴方向施加压力,如图8-3b所示,则氧离子挤入硅离子2和6间,而硅离子4挤入氧离子3和5之间,结果在表面A上出现正电荷,而在B表面上出现负电荷.如果所受的力为拉力时,在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况刚好相反. 如果在Y轴方向施加压力,则在表面A和B上呈现的极性如图8-3c所示,施加拉力时,电荷的极性与它相反. 如果在Z轴方向施加力的作用时,由于硅离子和氧离子是对称的平移,故在表面没有电荷出现,因而不产生压电效应. 8.1.2 石英晶体 石英就是二氧化硅(SiO2),是一种压电晶体,压电效应就是在石英晶体中发现的.它是一种天然晶体,现在已有高化学纯度和结构完善的人工培养的石英晶体.石英晶体的压电系数d11=2.31*10-12C/N,在几百摄氏度的温度范围内,压电系数不随温度而变;