压电式压力传感器.ppt

压电式压力传感器§1 压电效应PiezoelectricEffect雅克·居里(JacquesCurie)(1856年10月29日-1941年),法国物理学家,蒙彼利埃大学教授。皮埃尔·居里(PierreCurie)(1859-1906)居里兄弟他们发现了一些晶体在某一特定方向上受压时,在它们的表面上会出现正或负电荷,这些电荷与压力的大小成正比,而当压力排除之后电荷也消失。1881年,他们发表了关于石英与电气石中压电效应的精确测量。1882年,他们证实了李普曼()关于逆效应的预言:电场引起压电晶体产生微小的收缩。利用压电现象,他们还设计了一种压电石英静电计——居里计。某些物质沿某一方向受到外力作用时,会产生变形,同时其内部产生极化现象,此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷,当外力去掉后,它又重新恢复到不带电的状态,这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时,电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。F------++++++FFF++++++------§1 压电效应PiezoelectricEffect反之,当在某些物质的极化方向上施加电场,这些材料在某一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。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。逆压电效应电能机械能正压电效应纵轴Z称为光轴,通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴,与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。(a)yxzOxazybc(b)把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”沿光轴(Z轴)(a)xy(b)+xy++---石英晶体产生压电效应的微观机理当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形的顶角上,形成三个互成120°夹角的电偶极矩P1、P2、P3。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因为P=qL(q为电荷量,L为正负电荷之间的距离),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所以晶体表面不产生电荷,呈电中性。当晶体受到沿x方向的压力作用时,晶体沿x方向将产生收缩,正、负离子的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合,电偶极矩P1减小,P2、P3增大,它们在x方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0(b)Fx>0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--在y、z方向上的分量为:(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0