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第第6章章 压电式传感器压电式传感器 等效电路及测量电路等效电路及测量电路 1.2 第第6章章 压电式传感器压电式传感器 压电效应及材料压电效应及材料 6.1 6.2 6.3 压电传感器的应用压电传感器的应用 第一节第一节 压电效应压电效应 某些电介质某些电介质,当沿着一定方向对其施力而使它变当沿着一定方向对其施力而使它变形时形时,其内部就产生极化现象其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心内部正负电荷中心相对位移相对位移）,同时在它的两个表面上便产生符号相同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷反的电荷,当外力去掉后当外力去掉后,其又重新恢复到不带电其又重新恢复到不带电状态状态，这种现象称这种现象称压电效应压电效应。当作用力方向改变当作用力方向改变时时,电荷的极性也随之改变电荷的极性也随之改变。这种机械能转换为这种机械能转换为电能的现象电能的现象,称为称为“正压电效应正压电效应”。压电效应压电效应 压电效应-定义 某些电介质（晶体），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便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，这种现象称压电效应。压电效应压电效应-分类分类 正压电效应正压电效应：当作用力当作用力方向改变方向改变时，电荷的极性也随之时，电荷的极性也随之 改变，常把这种改变，常把这种机械能机械能转换为转换为电能电能的现象的现象 称正压电效应称正压电效应（或（或顺压电效应顺压电效应）。）。逆压电效应：逆压电效应：当在电介质极化方向上施加当在电介质极化方向上施加电场电场，这些这些 电介质也会在产生电介质也会在产生几何变形几何变形，当外加电场当外加电场 撤去撤去时时，这些变形也随之这些变形也随之消失消失，这种将这种将电电 能能转化成转化成机械能机械能的现象称逆压电效应的现象称逆压电效应（或或 称电致伸缩效应称电致伸缩效应）。压电效应具有压电效应具有可逆性可逆性，利用这一特性可以实现利用这一特性可以实现机械能机械能和和电能电能 的相互转换的相互转换。压电效应压电效应-特性特性 压电元件压电元件 机械能机械能 电能电能 逆压电效应逆压电效应 正压电效应正压电效应 压电晶体：如石英等；压电晶体：如石英等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；压电陶瓷：如钛酸钡、锆钛酸铅等；新型压电材料：压电半导体新型压电材料：压电半导体(如硫化锌、碲化镉等如硫化锌、碲化镉等)高分子压电材料。高分子压电材料。自然界中大多数晶体都具有压电效应自然界中大多数晶体都具有压电效应,但但压电效应十分微弱压电效应十分微弱 压电材料压电材料-分类分类 分类分类 具有压电效应的材料称为具有压电效应的材料称为压电材料压电材料。石英是单晶体，具有规则的几何外形，其形石英是单晶体，具有规则的几何外形，其形状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。状为六角形晶柱，两端呈六棱锥形状。二、石英晶体二、石英晶体 Z Z轴轴 (光轴光轴），是晶体的对称轴，用光学方法确定，是晶体的对称轴，用光学方法确定，作为基准轴。作为基准轴。X X轴轴 (电轴电轴)，经过正六棱柱相对的两个棱线，且垂直经过正六棱柱相对的两个棱线，且垂直于光轴，该轴压电效应最显著。于光轴，该轴压电效应最显著。Y Y轴轴 (机械轴机械轴)，垂直于两个相对的表面，在此轴上加垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。力产生的变形最大。石英晶体压电效应机理石英晶体压电效应机理 石英晶体：石英晶体：SiO2 代表硅离子代表硅离子 Si4+“”代表硅离子代表硅离子 2O2 _“”当石英晶体没有受到外力当石英晶体没有受到外力作用时：作用时：1230PPP正负电荷中心重合正负电荷中心重合 晶体表面不产生电荷，晶体表面不产生电荷，呈电中性。呈电中性。1.1.当石英晶体在当石英晶体在X X轴方向上受到压力时：轴方向上受到压力时：结果：结果：123()0 xPPP123()0yPPPA面上呈现负电荷面上呈现负电荷 B面上呈现正电荷面上呈现正电荷 这种沿这种沿X轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，轴的晶面上产生电荷的现象，就是就是“纵向压电效应”“纵向压电效应”。123()0zPPP2.2.当石英晶体在当石英晶体在Y Y轴方向上受到压力时：轴方向上受到压力时：结果：结果：123()0 xPPP123()0yPPPA面上呈现正电荷面上呈现正电荷 B面上呈现负电荷面上呈现负电荷 这种沿这种沿Y轴施加力，而在垂直于轴施加力，而在垂直于X轴的晶面上产生电荷的现象，轴的晶面上产生电荷的现象，就是就是“横向压电效应”“横向压电效应”。123()0zPPP3.3.当石英晶体在当石英晶体在Z Z轴方向上受到压力时：轴方向上受到压力时：123()0 xPPP123()0yPPP123()0zPPP正负电荷始终中心重合，所以晶体表面无电荷产生。正负电荷始终中心重合，所以晶体表面无电荷产生。沿沿Z轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。轴方向施加外力，石英晶体不产生压电效应。纵向压电效应纵向压电效应 横向压电效应横向压电效应 表面电荷的计算问题表面电荷的计算问题 有一石英晶体，其长度为有一石英晶体，其长度为5mm，宽度为，宽度为4mm，厚度，厚度为为10mm，当受到压力，当受到压力P=10MPa作用时，求在纵向压作用时，求在纵向压电效应的压缩力作用下产生的电荷量。（电效应的压缩力作用下产生的电荷量。（d=2.31PC/N）x b z y a c x b z y a c 当沿当沿X X轴轴施加作用力时，晶片产生厚度变形，并在与施加作用力时，晶片产生厚度变形，并在与x轴垂直的平面上产生电荷，且轴垂直的平面上产生电荷，且电荷密度电荷密度与与应力应力成正比：成正比：11xxQdFx轴轴方向受力的压电系数；方向受力的压电系数；11dx b z y a c 沿沿y轴轴施加作用力时，晶片产生长度变形，并在与施加作用力时，晶片产生长度变形，并在与x轴轴垂直的平面上产生电荷，且垂直的平面上产生电荷，且电荷密度电荷密度与与应力应力成正比：成正比：12yyaQdFby轴轴方向受力的压电系数；方向受力的压电系数；12d1211dd 晶片厚度晶片厚度 xxFdq11yyyFbadFbadq1112结论：结论：当晶片受到当晶片受到x方向的压力作用时，方向的压力作用时，qx只与作用力只与作用力Fx 成成正比正比，而与晶片的，而与晶片的尺寸无关尺寸无关；沿机械轴沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷与方向向晶片施加压力时，产生的电荷与 几何尺寸有关几何尺寸有关；石英晶体石英晶体不是在任何方向不是在任何方向都存在压电效应的；都存在压电效应的；晶体在哪个方向上有正压电效应晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上则在此方向上 一定存在一定存在逆压电效应逆压电效应；无论是正或逆压电效应无论是正或逆压电效应，其作用力其作用力（或应变或应变）与与 电荷之间皆呈电荷之间皆呈线性关系线性关系。压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（PZTPZT）及非铅系压电陶瓷）及非铅系压电陶瓷（如（如BaTiOBaTiO3 3等）。等）。压电陶瓷产品压电陶瓷产品 压电陶瓷的压电效应压电陶瓷的压电效应 压电陶瓷：压电陶瓷：属于铁电体一类的物质属于铁电体一类的物质,是人工制造的多晶体压是人工制造的多晶体压 电材料电材料,具有类似铁磁材料磁畴结构的具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴电畴结构结构 电畴电畴:分子自发形成的区域分子自发形成的区域,有一定的极化方向有一定的极化方向,从而存电场从而存电场 未加电场未加电场 原始的压电陶瓷内原始的压电陶瓷内呈中性呈中性 不具有压电性质不具有压电性质。在无电场作用时在无电场作用时，电畴在晶体中电畴在晶体中杂乱分布杂乱分布 它们的极化效应被相互抵消它们的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内压电陶瓷内极化强度为零极化强度为零。压电陶瓷是人工多晶铁电体压电陶瓷是人工多晶铁电体，原始的压电陶瓷呈现各向原始的压电陶瓷呈现各向同性不具有压电性同性不具有压电性。在在无外电场无外电场作用时作用时，电畴在晶体中电畴在晶体中杂乱分布杂乱分布，它们各自的极化效应被它们各自的极化效应被相互抵消相互抵消，压电陶瓷压电陶瓷内内极化强度为极化强度为零零。因此原始的压电陶瓷呈因此原始的压电陶瓷呈中性中性，不具有不具有压电性质压电性质。伸长直流电桥剩余伸长剩余极化a)极化前 b)极化 c)极化后 加电场加电场 施加外电场时施加外电场时，电畴的电畴的极化方向发生转动极化方向发生转动，趋向趋向 外电场方向排列外电场方向排列。从而使材料得到极化从而使材料得到极化。外电场愈强外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。当外电场强度大到使材料的极化达到当外电场强度大到使材料的极化达到饱和程度饱和程度，即即 极化方向都整齐地极化方向都整齐地与外电场方向一致与外电场方向一致，当外电场去掉后当外电场去掉后 电畴的极化方向基本不变电畴的极化方向基本不变，即剩余极化强度很大即剩余极化强度很大。压电陶瓷极化后压电陶瓷极化后 具有压电特性具有压电特性 未极化时是非压电体未极化时是非压电体 (a)极化处理前极化处理前 剩余极化强度剩余极化强度 剩余伸长剩余伸长 (c)极化处理后极化处理后 直流电场直流电场E 电场作用下的伸长电场作用下的伸长 (b)极化处理中极化处理中 由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为由于经过极化处理的压电陶瓷其内部极化强度不为0 0，即在陶瓷的，即在陶瓷的一端出现正束缚电荷一端出现正束缚电荷，另一端出现负束另一端出现负束缚电荷缚电荷。由于束缚电荷的作用，在陶瓷片的电极面上。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吸附了一层来自外界的自由电荷自由电荷。这些自由电荷与陶。这些自由电荷与陶瓷片内的束缚电荷瓷片内的束缚电荷符号相反而数量相等符号相反而数量相等。所以整体上。所以整体上表现为表现为电中性电中性。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如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F，如图如图，陶瓷片将产生陶瓷片将产生压缩形变压缩形变，片内的正片内的正、负束缚电荷之间的负束缚电荷之间的距距离变小离变小，极化强度也变小极化强度也变小。因此因此，原来吸附在电极上的自原来吸附在电极上的自由电荷由电荷，有一部分被有一部分被释放释放，而出现放电荷现象而出现放电荷现象。当压力撤消后当压力撤消后，陶瓷片恢复原状陶瓷片恢复原状，片内的正片内的正、负电荷之负电荷之 极化方向 正压电效应示意图（实线代表形变前的情况，虚线代表形变后的情况）F 间的间的距离变大距离变大，极化强度也变，极化强度也变大，因此电极上又大，因此电极上又吸附吸附一部分一部分自由电荷而出现充电现象。自由电荷而出现充电现象。这种由机械能转变为电能的现这种由机械能转变为电能的现象，就是象，就是正压电效应正压电效应。33qd F=d33 压电陶瓷的压电系数压电陶瓷的压电系数 F作用力作用力 晶体极化后晶体极化后，沿极化方向沿极化方向（垂直极化平面垂直极化平面）作用力时作用力时，引起剩余极化强度变化引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷在极化面上产生电荷，电荷量电荷量的大小与外力成正比关系：的大小与外力成正比关系：d33 d11、d12 压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高 同样同样，若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场若在陶瓷片上加一个与极化方向相同的电场，如图如图，由于电场的方向与极化强度的方向相同由