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第五章压电传感器 (2).ppt


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文档列表 文档介绍
*
第一页,本课件共有82页
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
d11——压电系数(C/N)
作用力是沿着机械轴方向
电荷仍在与X轴垂直的平面
此时,
晶体切片
当沿电轴方向加作用力Fx时,则在与电轴垂直的平面上产生电荷
第十六页,本课件共有82页
石英晶体具有压电效应,是由其内部分子结构决定的。下图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子,在垂直于z轴的xy平面上的投影,等效为一个正六边形排列。 图中“+”代表硅离子Si4+, “-”代表氧离子O2-。
2. 石英晶体产生压电效应的微观机理
第十七页,本课件共有82页
硅氧离子的排列示意图
x
(a)
x
y
(b)
+
y
+
+
-
-
-
第十八页,本课件共有82页
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。 如图所示。
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。
第十九页,本课件共有82页
第二十页,本课件共有82页
当晶体受到沿x方向的压力(F x < 0)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,如图(b)所示。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
在y、z方向上的分量为:
(P1+P2+P3)y = 0
(P1+P2+P3)z= 0
第二十一页,本课件共有82页
第二十二页,本课件共有82页
在x轴的正向出现负电荷,在y、z方向依然不出现电荷。
当晶体受到沿x方向的拉力(Fx >0)作用时,其变化情况如图所示。电偶极矩P1增大, P2、 P3减小,此时它们在x、y、z三个方向上的分量为
(P1+P2+P3)x<0
(P1+P2+P3)y=0
(P1+P2+P3)z=0
第二十三页,本课件共有82页
第二十四页,本课件共有82页
可见,当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用时,它在x方向产生正压电效应,而y、z方向则不产生压电效应。
晶体在y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx 相似。当Fy>0时,晶体的形变与图(b)相似;当Fy <0时,则与图(c)相似。
第二十五页,本课件共有82页
晶体在z轴方向受力Fz的作用时,因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同,所以,正、负电荷中心保持重合,电偶极矩矢量和等于零。这就表明,在沿z(即光轴)方向的力Fz 作用下,晶体不产生压电效应。
第二十六页,本课件共有82页
3. 作用力与电荷的关系
(a)
y
x
z
O
若从晶体上沿y方向切下一块如图(a)所示的晶片,当沿电轴x方向施加应力σx时,晶片将产生厚度变形,并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内,极化强度P11与应力σx 成正比。
x
b
z
y
a
c
(b)
第二十七页,本课件共有82页
即:
d11——压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向;
a、c——石英晶片的长度和宽度。
而P11在数值上等于晶面上的电荷密度
将以上两式联立,得
第二十八页,本课件共有82页
反之,若沿x方向对晶片施加电场,电场强度大小为Ex 。根据逆压电效应,晶体在x轴方向将产生伸缩,即:Δb=d11U x
也可用相对应变表示为:
第二十九页,本课件共有82页
若在同一切片上,沿机械轴y方向施加应力σy,则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy,其大小为
根据石英晶体轴对称条件:d11 = -d12,则:
晶片厚度
第三十页,本课件共有82页
反之,若沿y方向对晶片施加电场,根据逆压电效应,晶片在y轴方向将产生伸缩变形,即
或用相对应变表示:
第三十一页,本课件共有82页
Fx
(b)
x
+ + + + +
- - - - -
+ + + + +
(a)
Fx
x
- -

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  • 时间2022-01-23