第6章压电式传感器

1、q石英晶体是一种应用广泛的压电材料。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。多为无色透明，含杂质者可呈紫、黄、粉红、褐、灰、黑等颜色。q天然石英晶体的外形形状为一个六角形晶体柱，两端为一对称棱锥。q当沿着当沿着x轴对晶片施加力时，将在轴对晶片施加力时，将在垂直于垂直于x轴的表面上产生电荷，这轴的表面上产生电荷，这种现象称为种现象称为纵向压电效应纵向压电效应。q沿着沿着y轴施加力的作用时，电荷仍轴施加力的作用时，电荷仍出现在与出现在与x轴垂直的表面上，但极轴垂直的表面上，但极性相反，这称之为性相反，这称之为横向压电效应横向压电效应。q当沿着当沿着z轴方向受力时轴方向受力时不产生压电不产生压电效应。效应。

2、q 压电式传感器主要是利用纵向压电效应。纵向压电效应产生的电荷为：xxxFdQ11式中，Qxx垂直于x轴平面上的电荷； d11x轴方向受力时的压电系数。q 下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；Fx为沿晶轴x方向施加的压力。由式看出，当晶片受到x向的压力作用时，Qxx与作用力Fx，成正比，而与晶片的几何尺寸无关。如果作用力Fx改为拉力时，则在垂直于x轴的平面上仍出现等量电荷，但极性相反。 q 横向压电效应产生的电荷为：yyxyFabdFabdQ1112q 沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷与几何尺寸有关，式中的负号表示沿y轴的压力产生的电荷与沿x轴施加压力所产生的电荷极性是相

3、反的。式中，a、b晶体切片沿x轴和y轴的长度； d12y轴方向受力时的压电系数。q 如果在x轴方向施加压力，如图所示，则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤人氧离子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正好相反。q 如果沿y轴方向施加压力时则在表面A和B 呈现的极性如图所示。施加拉力时电荷的极性与它相反。q 若沿z轴方向施加力的作用时由于硅离子和氧离于是对称的平移，故在表面没有电荷出现因而不产生压电效应。q 石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如图所示：（a）x向压力向压力 （b）x向拉力向拉力 （c）y向压力

4、向压力 （d）y向拉力向拉力 石英晶体石英晶体 压电陶瓷压电陶瓷 高分子压电材料高分子压电材料人工制造，压电效应强，但稳人工制造，压电效应强，但稳定性差。定性差。(1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡压电陶瓷 (BaTiO3)(2)锆钛酸铅系压电陶瓷锆钛酸铅系压电陶瓷Pb(ZrTi)O3。 (3)铌酸盆系压电陶瓷。如铌铌酸盆系压电陶瓷。如铌酸铅、铌酸钾。酸铅、铌酸钾。(4)铌镁酸铅系压电陶瓷铌镁酸铅系压电陶瓷天然物质，压电效应弱，天然物质，压电效应弱，但稳定。但稳定。新型压电材料。新型压电材料。聚二氟乙烯聚二氟乙烯(PVF2)、聚氟乙烯聚氟乙烯(PVF)、聚、聚氯乙烯氯乙烯(PVC) 等等 水溶性压电晶体

5、水溶性压电晶体 铌酸锂晶体铌酸锂晶体 压电半导体压电半导体和普通电容器不同的是极板和普通电容器不同的是极板上的电荷是在外力作用下产生的，若力的作用上的电荷是在外力作用下产生的，若力的作用终止，则电荷也随之消失。终止，则电荷也随之消失。aaCQu xSCUCiCcCaCaUfiLaoCKCCCKQu)1 ( ，上式简化为：足够大，则增益如果运算放大器的开环iLafCCCCKK)1 (foCQudtdNeq磁电式传感器是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动力式传感器。q根据电磁感应定律，运动线圈在磁场中切割磁力线时，线圈两端会出现感应电动势，它的大小和方向为：dtdNeq 线速度型传感器，在永久磁铁产生的直流磁场内，放置个可动线圈，当线圈在磁场中作直线运动时，它所产生的感应电动势为： 当90时，可写为 ：说明，当N，B，l均为常数时，感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比。因此这种传感器常用于测量速度。NBle 式中，B为磁场的磁感应强度，l为单匝线圈的有效长度；N为线圈匝数：为线圈与磁场的相对运动速度，为线圈运动方向与磁场方