传感器与自动检测6压电式.ppt

6压电式传感器压电传感器是一种典型的有源传感器(发电型传感器),这种传感器不需要外接电源,直接就能产生电压。压电传感器是以某些物质的压电效应为基础的。在外力作用下,在电介质表面产生电荷,从而实现非电量电测的目的。压电式传感器是力敏感元件,它能测量最终能变换为力的那些物理量。如压力、加速度、应力。一、压电效应PiezoelectricEffect极化现象:是指原来不带电的介质,在某种条件下,其表面产生电荷的现象。顺(正)压电效应:某些电介质沿着一定方向对其施加力而使它变形时,由于内部产生极化现象,其两表面上产生符号相反的电荷,外力去掉后,又重新恢复不带电状态,这种现象称为顺压电效应。作用力的方向改变时,电荷的极性也随着改变。[法国居里兄弟(PierreandJacquesCurie)于1880年发现在石英晶体及罗息盐(RochelleSalt)等晶体若施加机械应力,会产生电极化现象]。逆压电效应(电致伸缩效应):顺压电效应的逆过程,对某些电介质施加一定的变电场,电介质本身将产生机械变形,外电场撤离后,变形也随着消失的现象。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。1、石英晶体的压电效应1)晶体结构石英晶体是一个六角形晶柱,共有30个晶面。在晶体学中用三根互相垂直的轴来表示,称为晶轴。Z-Z轴为光轴,它经过六面体的棱线,垂直于光轴的X-X轴称为电轴,它通过六面体相对的两个棱线。与X、Z轴同时垂直的Y-Y轴称为机械轴,它垂直于两个相对的晶柱棱面。2)压电特性石英是一种各向异性晶体,因此,按不同方向切割的晶片,其物理性质(如弹性、压电效应、温度特性等)相差很大。因此应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。①纵向压电效应(X0°切型)沿电轴X施加力,产生的电荷位于与电轴X垂直的晶面上。产生的电荷为:qxx=dxx·Fxqxx为产生的电荷dxx为纵向压电系数Fx为沿电轴X方向施加的压力。(下标表示电荷所在面的轴向及施加作用力的方向)ZYXcab即:qxx与作用力Fx成正比,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。②横向压电效应(X0°切型)沿机械轴Y施力,产生的电荷仍位于与X垂直的晶面上。同一晶片上横向压电效应产生的电荷为qxy为产生的电荷dxy为横向压电系数FY为沿机械轴Y方向施加的压力。因dxy=-dxx(石英晶体的对称性),故有即: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反的。ZYXcab3)石英晶体的压电机理在一个晶体单元组中,有三个硅离子和六个氧离子,将硅离子与2个氧离子分别等效为+、-。其中Si4+及2O2-分布在正六边形的顶角上,形成3个大小相等,互成120o交角的电偶极矩P1、P2和P3,P=q·l,其方向从负电荷指向正电荷,是矢量。不受力时,P1+P2+P3=0,呈电中性。当受X轴方向压力时,P1+P2+P3<0,即为纵向压电效应。当受Y轴方向压力时,P1+P2+P3>0,即横向压电效应。当受Z轴方向作用力时,硅离子与氧离子是对称平移,正负电荷中心始终重合,不产生压电效应。2、压电陶瓷的压电现象压电陶瓷是一种多晶铁电体,铁电体具有剩余极化的性质,它有电畴结构。如:钛酸钡、锆钛酸铅等。电畴是分子自发形成的区域,有一定的极化方向(即电偶极矩有一定方向)。铁电体内部的电畴无规则排列,使得它们的极化效应互相抵消,故在原始状态,压力陶瓷不具有压电效应。在一定温度条件下,对压电陶瓷加以强电场,此时电畴的极化方向发生转动,趋于外电场的方向排列,材料得以极化。束缚电荷自由电荷----------++++++++++极化方向极化处理后,由于铁电体在撤去外电场后有剩余极化的特性。当外电场撤去后,压电陶瓷片两端出现束缚电荷一端为正,一端为负。由于束缚电荷作用,压电陶瓷片两端很快吸引一层来自外界的自由电荷,这些自由电荷与束缚电荷等值反向,故陶瓷片对外界不显电性。如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力F,陶瓷片将产生压缩形变,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,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,就是压电陶瓷的正压电效应。+++++----------+++++极化方向正压电效应示意图(实线--变形前,虚线--变形后)F-+对于压电陶瓷,通常将它的极化方向作为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时,则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷。q=dzzFdzz压电系数