2.6壓電式傳感器

壓電式傳感器壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時，會產(chǎn)生變形，同時其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時在這種材料的兩個表面產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，它又重新恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時，電荷極性也隨之改變。這種機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為“正壓電效應(yīng)”或“順壓電效應(yīng)”。圖1正（順）壓電效應(yīng)示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機械變形或機械壓力；當(dāng)外加電場撤去時，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。圖2壓電效應(yīng)的可逆性逆壓電效應(yīng)電能機械能正壓電效應(yīng)圖3石英晶體受力方向與電荷極性關(guān)系+++++(a)Fxx-----Fx(b)x+++++-----xFy(c)+++++-----Fy(d)x+++++-----

常見的壓電材料可分為兩類，即壓電單晶體和多晶體壓電陶瓷。

壓電單晶體有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性壓電晶體(包括酒石酸鉀鈉、酒石酸乙烯二銨、酒石酸二鉀、硫酸錘等)；多晶體壓電陶瓷有鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛系壓電陶瓷、鈮酸鹽系壓電陶瓷和鈮鎂酸鉛壓電陶瓷等。

如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個六角形晶柱，兩端為一對稱棱錐。石英晶體的壓電效應(yīng)在晶體學(xué)中，可以把將其用三根互相垂直的軸表示，其中，縱軸Z稱為光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X鈾稱為電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸

(垂直于六棱柱體的棱面)稱為機械軸。晶體在z軸方向受力Fz的作用時，因為晶體沿x方向和沿y方向所產(chǎn)生的正應(yīng)變完全相同，所以，正、負(fù)電荷中心保持重合，電偶極矩矢量和等于零。這就表明，在沿z(即光軸)方向的力Fz

作用下，晶體不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。3.作用力與電荷的關(guān)系（a）yxzOxazybc（b）

若從晶體上沿y方向切下一塊如圖5-6（a）所示的晶片，當(dāng)沿電軸x方向施加應(yīng)力σx時，晶片將產(chǎn)生厚度變形，并發(fā)生極化現(xiàn)象。在晶體線性彈性范圍內(nèi)，極化強度P11與應(yīng)力σx

成正比。

d11——壓電系數(shù)。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；(2.27)若在同一切片上，沿機械軸y方向施加應(yīng)力σy，則仍在與x軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷qy，其大小為b、c——石英晶片的長度和寬度。5.3.2壓電傳感器的等效電路當(dāng)壓電晶體承受應(yīng)力作用時，在它的兩個極面上出現(xiàn)極性相反但電量相等的電荷。故可把壓電傳感器看成一個電荷源與一個電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器。(a)qCa其電容量為：當(dāng)兩極板聚集異性電荷時，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個電容器Ca的串聯(lián)電路，如圖(b)。UaCa(b)圖5-14壓電傳感器的等效電路（a）電壓源;（b）電荷源結(jié)構(gòu)型式在壓電式傳感器中，常用兩片或多片組合在一起使用。由于壓電材料是有極性的，因此接法也有兩種，如圖所示。+-++-+-+-+-+-+--+-+-+-+-

并聯(lián)Q’=nQU’=UC’=nC

串聯(lián)Q’=QU’=nUC’=C/n

從作用力看，元件是串接的，因而每片受到的作用力相同，產(chǎn)生的變形和電荷數(shù)量大小都與單片時相同。圖(a)從電路上看，這是并聯(lián)接法，類似兩個電容的并聯(lián)。所以，外力作用下正負(fù)電極上的電荷量增加了1倍，電容量也