傳感器與檢測技術(shù)08章壓電(已修改)
2025-01-30 17:19 本頁面
【正文】 第 8章 壓電式傳感器 ? 壓電效應(yīng) ? 測量電路 ? 壓電式傳感器的應(yīng)用 壓電效應(yīng) ? 居里兄弟皮爾（ ）與杰克（ ）發(fā)現(xiàn) 壓電效應(yīng)（ piezoelectric effect） 。 某些電介質(zhì)在機(jī)械應(yīng)力作用下，產(chǎn)生形變，極化狀態(tài)發(fā)生變化，致使表面帶電，表面電荷密度與應(yīng)力成正比，稱為 正壓電效應(yīng) 。 反之，施加外電場，介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械形變，應(yīng)變與電場強(qiáng)度成正比，稱為 逆壓電效應(yīng) ，或稱作 “ 電致伸縮效應(yīng) ” 。 石英晶體 Z軸：光軸、中性軸； X軸：電軸； Y軸：機(jī)械軸 為什么產(chǎn)生壓電效應(yīng)？ ? 石英晶體模型： 由于離子之間造成錯(cuò)位，電荷的平衡關(guān)系受到破壞，產(chǎn)生 極化現(xiàn)象，使表面產(chǎn)生電荷。 ? 壓電陶瓷的極化處理 石英晶體切片上電荷極性與受力方向的關(guān)系 ? 壓電材料的性能常用 壓電常數(shù) 來表征， 式中， Q為壓電元件受力產(chǎn)生的表面電荷， F為作用在壓電元件上的力， d為壓電常數(shù)。 Q dF?（一）正壓電效應(yīng) 壓電常數(shù)是表征壓電性能強(qiáng)弱的參數(shù)，不同材料具有不同的壓電性能，同一材料在不同的受力方向，電荷產(chǎn)生的情況也不同。對于一定施力方向和一定的產(chǎn)生電荷表面而言，壓電常數(shù) d是一個(gè)常數(shù)。 ， j方向受力時(shí)在 i方向上電荷積累的表面密度（即沿 i方向的極化強(qiáng)度）； ，沿方向 j施加外力時(shí)，單位面積上感受的應(yīng)力； ，壓電常數(shù)，（ j方向受力，在 i方向產(chǎn)生電荷時(shí)的壓電常數(shù)）。 ji ij jPd ??jiPj?ijd121 11 12 13 14 15 1632 21 22 23 24 25 2643 31 32 33 34 35 3656P d d d d d dP d d d d d dP d d d d d d????????????? ? ? ???? ? ? ?? ??? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?????????X0176。 切型石英晶體的壓電常數(shù)矩陣，具體為 : 石英晶體只有 和 兩個(gè)獨(dú)立常數(shù)。 對于左旋石英： 石英： 和 都是正值，數(shù)值不變。 11d 14d1211 2 .3 1 1 0 /d C N?? ? ?1214 0 .6 7 1 0 /d C N?? ? ?11d 14d（二）逆壓電效應(yīng) （ k=1,2,3。h=1,2,3,4,5,6） 式中， －沿 h方向的應(yīng)變； －沿 k方向施加的電場。 h hk kdE? ?h?kE實(shí)驗(yàn)結(jié)論： ①有正壓電效應(yīng)的壓電晶體，必有相應(yīng)的逆壓電效應(yīng)。晶體中，哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則此方向上必有逆壓電效應(yīng)。 ② 逆壓電效應(yīng)得壓電常數(shù)與正壓電效應(yīng)的壓電常數(shù)數(shù)值是相等的，而且一一對應(yīng)。一般情況下，逆壓電效應(yīng)中壓電常數(shù)矩陣是正壓電常數(shù)矩陣 d的轉(zhuǎn)置矩陣。 壓電常數(shù)的物理意義是： 在 “ 短路條件 ” 下，單位應(yīng)力所產(chǎn)生的電荷密度?！?短路條件 ” 是指壓電元件的表面電荷一開始發(fā)生就被引開，因而在晶體變形上不存在 “ 二次效應(yīng) ” 的理想條件。壓電常數(shù)有時(shí)也稱壓電應(yīng)變常數(shù)。 ? 常用的壓電材料有： 壓電晶體、壓電陶瓷、壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體。 ① 壓電晶體：石英晶體、水溶性壓電晶體、鈮酸鋰晶體； 石英晶體中 x軸常稱為電軸， y軸稱為機(jī)械軸， z軸稱為光軸。 石英晶體沿 z軸方向施加外力，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 石英晶體的主要性能特點(diǎn)是： (1) 壓電常數(shù)小，時(shí)間和溫度穩(wěn)定性極好； (2) 機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因素高，且
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