傳及工程應(yīng)用第6章(已修改)
2025-03-03 22:53 本頁面
【正文】 ? ? 第 6章 壓電式傳感器返回主目錄第 6章 壓電式傳感器 壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng) , 是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí) , 其表面會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。壓電式傳感器具有體積小 , 重量輕 , 工作頻帶寬等特點(diǎn) , 因此在各種動(dòng)態(tài)力、 機(jī)械沖擊與振動(dòng)的測(cè)量 , 以及聲學(xué)、 醫(yī)學(xué)、力學(xué)、宇航等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用。 ? 壓電效應(yīng)及壓電材料 ? 某些電介質(zhì) , 當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí) , 其內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象 , 同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷 , 當(dāng)外力去掉后 , 其又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)， 這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力方向改變時(shí) , 電荷的極性也隨之改變。 有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能的現(xiàn)象 , 稱為 “正壓電效應(yīng) ” 。 相反 , 當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng) , 這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生變形 , 這種現(xiàn)象稱為 “逆壓電效應(yīng) ”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料 , 壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī) — 電能量的相互轉(zhuǎn)換 , 如圖 6 1所示。 在自然界中大多數(shù)晶體具有壓電效應(yīng) , 但壓電效應(yīng)十分微弱。隨著對(duì)材料的深入研究 , 發(fā)現(xiàn)石英晶體、鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等材料是性能優(yōu)良的壓電材料。 壓電材料可以分為兩大類 : 壓電晶體和壓電陶瓷 。 ? 壓電材料的主要特性參數(shù)有 : ? （ 1） 壓電常數(shù)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù) , 它直接關(guān)系到壓電輸出的靈敏度。 ? （ 2） 彈性常數(shù)壓電材料的彈性常數(shù)、 剛度決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性。 ? （ 3） 介電常數(shù)對(duì)于一定形狀、 尺寸的壓電元件 , 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān) 。 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限。 ? （ 4） 機(jī)械耦合系數(shù)在壓電效應(yīng)中 , 其值等于轉(zhuǎn)換輸出能量（如電能）與輸入的能量（如機(jī)械能）之比的平方根 。 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù)。 （ 5） 電阻壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏 , 從而改善壓電傳感器的低頻特性。 ? （ 6） 居里點(diǎn)壓電材料開始喪失壓電特性的溫度稱為居里點(diǎn)。 一、 石英晶體 ? 石英晶體化學(xué)式為 SiO2, 是單晶體結(jié)構(gòu)。圖 6 2（ a）表示了天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形。它是一個(gè)正六面體。 石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。其中縱向軸 z 稱為光軸 , 經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的 x 軸稱為電軸 , 與 x 和 z 軸同時(shí)垂直的軸 y 稱為機(jī)械軸。通常把沿電軸 x 方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 “縱向壓電效應(yīng) ”, 而把沿機(jī)械軸 y 方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 “橫向壓電效應(yīng) ”。 而沿光軸 z 方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 ??? 若從晶體上沿 y 方向切下一塊如圖 6 2（ c）所示晶片 , 當(dāng)在電軸方向施加作用力時(shí) , 在與電軸 x 垂直的平面上將產(chǎn)生電荷 , 其大小為? qx = d11 fx (6 1)?? 式中 : d11? ——x 方向受力的壓電系數(shù) 。 ? fx—— 作用力。 ? 若在同一切片上 , 沿機(jī)械軸 y方向施加作用力 fy, 則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷 qy, 其大小為?? qy=d12 fy a /b （ 6 2） ??式中 : d12——y 軸方向受力的壓電系數(shù) , d12=d11。? a、 b—— 晶體切片長度和厚度。 電荷 qx和 qy 的符號(hào)由所受力的性質(zhì)決定。 ? 石英晶體的上述特性與其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖 6 3是一個(gè)單元組體中構(gòu)成石英晶體的硅離子和氧離子 , 在垂直于 z軸的 xy平面上的投影 , 等效為一個(gè)正六邊形排列。圖中“? ”代表 Si4+離子 , “? ”代表氧離子 O2。 ? 當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí) , 正、負(fù)離
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