第6章壓電式傳感器

1、q石英晶體是一種應(yīng)用廣泛的壓電材料。它是二氧化硅單晶，屬于六角晶系。多為無(wú)色透明，含雜質(zhì)者可呈紫、黃、粉紅、褐、灰、黑等顏色。q天然石英晶體的外形形狀為一個(gè)六角形晶體柱，兩端為一對(duì)稱棱錐。q當(dāng)沿著當(dāng)沿著x軸對(duì)晶片施加力時(shí)，將在軸對(duì)晶片施加力時(shí)，將在垂直于垂直于x軸的表面上產(chǎn)生電荷，這軸的表面上產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象稱為種現(xiàn)象稱為縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)。q沿著沿著y軸施加力的作用時(shí)，電荷仍軸施加力的作用時(shí)，電荷仍出現(xiàn)在與出現(xiàn)在與x軸垂直的表面上，但極軸垂直的表面上，但極性相反，這稱之為性相反，這稱之為橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)。q當(dāng)沿著當(dāng)沿著z軸方向受力時(shí)軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。效應(yīng)。

2、q 壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)?？v向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為：xxxFdQ11式中，Qxx垂直于x軸平面上的電荷； d11x軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。q 下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向；Fx為沿晶軸x方向施加的壓力。由式看出，當(dāng)晶片受到x向的壓力作用時(shí)，Qxx與作用力Fx，成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)。如果作用力Fx改為拉力時(shí)，則在垂直于x軸的平面上仍出現(xiàn)等量電荷，但極性相反。 q 橫向壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷為：yyxyFabdFabdQ1112q 沿機(jī)械軸方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷與幾何尺寸有關(guān)，式中的負(fù)號(hào)表示沿y軸的壓力產(chǎn)生的電荷與沿x軸施加壓力所產(chǎn)生的電荷極性是相

3、反的。式中，a、b晶體切片沿x軸和y軸的長(zhǎng)度； d12y軸方向受力時(shí)的壓電系數(shù)。q 如果在x軸方向施加壓力，如圖所示，則氧離子擠入硅離子2和6間，而硅離子4擠人氧離子3和5之間，結(jié)果在表面A上出現(xiàn)正電荷，而在B表面上出現(xiàn)負(fù)電荷。如果所受的力為拉力時(shí)，在表面A和B上的電荷極性就與前面的情況正好相反。q 如果沿y軸方向施加壓力時(shí)則在表面A和B 呈現(xiàn)的極性如圖所示。施加拉力時(shí)電荷的極性與它相反。q 若沿z軸方向施加力的作用時(shí)由于硅離子和氧離于是對(duì)稱的平移，故在表面沒(méi)有電荷出現(xiàn)因而不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。q 石英晶片受壓力或拉力時(shí)，電荷的極性如圖所示：（a）x向壓力向壓力 （b）x向拉力向拉力 （c）y向壓力

4、向壓力 （d）y向拉力向拉力 石英晶體石英晶體 壓電陶瓷壓電陶瓷 高分子壓電材料高分子壓電材料人工制造，壓電效應(yīng)強(qiáng)，但穩(wěn)人工制造，壓電效應(yīng)強(qiáng)，但穩(wěn)定性差。定性差。(1)鈦酸鋇壓電陶瓷鈦酸鋇壓電陶瓷 (BaTiO3)(2)鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷Pb(ZrTi)O3。 (3)鈮酸盆系壓電陶瓷。如鈮鈮酸盆系壓電陶瓷。如鈮酸鉛、鈮酸鉀。酸鉛、鈮酸鉀。(4)鈮鎂酸鉛系壓電陶瓷鈮鎂酸鉛系壓電陶瓷天然物質(zhì)，壓電效應(yīng)弱，天然物質(zhì)，壓電效應(yīng)弱，但穩(wěn)定。但穩(wěn)定。新型壓電材料。新型壓電材料。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 水溶性壓電晶體

5、水溶性壓電晶體 鈮酸鋰晶體鈮酸鋰晶體 壓電半導(dǎo)體壓電半導(dǎo)體和普通電容器不同的是極板和普通電容器不同的是極板上的電荷是在外力作用下產(chǎn)生的，若力的作用上的電荷是在外力作用下產(chǎn)生的，若力的作用終止，則電荷也隨之消失。終止，則電荷也隨之消失。aaCQu xSCUCiCcCaCaUfiLaoCKCCCKQu)1 ( ，上式簡(jiǎn)化為：足夠大，則增益如果運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)iLafCCCCKK)1 (foCQudtdNeq磁電式傳感器是把被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種傳感器，又稱電磁感應(yīng)式或電動(dòng)力式傳感器。q根據(jù)電磁感應(yīng)定律，運(yùn)動(dòng)線圈在磁場(chǎng)中切割磁力線時(shí)，線圈兩端會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，它的大小和方向?yàn)椋篸tdNeq 線速度型傳感器，在永久磁鐵產(chǎn)生的直流磁場(chǎng)內(nèi)，放置個(gè)可動(dòng)線圈，當(dāng)線圈在磁場(chǎng)中作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為： 當(dāng)90時(shí)，可寫(xiě)為 ：說(shuō)明，當(dāng)N，B，l均為常數(shù)時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小與線圈運(yùn)動(dòng)的線速度成正比。因此這種傳感器常用于測(cè)量速度。NBle 式中，B為磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，l為單匝線圈的有效長(zhǎng)度；N為線圈匝數(shù)：為線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，為線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方