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1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章 压电式传感器压电式传感器第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器p 压电式传感器的原理压电式传感器的原理压电式传感器的原理压电式传感器的原理：基于某些晶体材料的压电基于某些晶体材料的压电效应，是一种典型的有源传感器（或发电型传感器）效应，是一种典型的有源传感器（或发电型传感器）。p 特点：特点：特点：特点：压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、压电式传感器具有响应频带宽，灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。p 压电效应是可逆的，因此压电式传感器是一种典压电效
2、应是可逆的，因此压电式传感器是一种典型的型的“双向传感器双向传感器”哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学6-1 6-1 压电效应压电效应 某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变某些电介质物质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电的状态，外力去掉后，又重新回到不带电的状态，这种将这种将机械能转变机械能转变机械能转变机械能转变为电能为电能为电能为电能的现象，称为的现象，称为“顺压电效应顺压电效应”。相反，在电介质的极化方向上施加电场，它会产生机械相反，在电介质的极化方向
3、上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。变形，当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失。这种将这种将电能转换为机械能电能转换为机械能电能转换为机械能电能转换为机械能的现象，称为的现象，称为“逆压电效应逆压电效应”。第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器F FF F极化面极化面Q Q压电介质压电介质机械能机械能电能电能正压电效应正压电效应逆压电效应逆压电效应压电效应及可逆性压电效应及可逆性哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学具具有有压压电电效效应应的的电电介介物物质质称称为为压压电电材材料料。具具有有压压电电效效应应的的电电介介物物质质称称
4、为为压压电电材材料料。具具有有压压电电效效应应的的物物质质很很多多，如如天天然然形形成成的的石石英英晶晶体体，人人工工制制造造的的 压压 电电 陶陶 瓷瓷、钛钛 酸酸 钡钡、锆锆 钛钛 酸酸 铅铅 等等。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。体压电陶瓷。第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器一、石英晶体的压电效应一、石英晶体的压电效应 石英晶体有天然和人造石英单晶石英晶体有天然和人造石英单晶两种。
5、两种。石英晶体属六方晶系，是一个正石英晶体属六方晶系，是一个正六面体，有右旋和左旋石英晶体之六面体，有右旋和左旋石英晶体之分，在晶体学中用三根互相分，在晶体学中用三根互相 垂直的垂直的轴轴 Z、X、Y 表示它的坐标。表示它的坐标。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 Z 轴为光轴（中性轴），轴为光轴（中性轴），它是晶体的对称轴，光线沿它是晶体的对称轴，光线沿Z轴通过轴通过晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。晶体不产生双折射现象，因而它的贡献是作为基准轴。X 轴为电轴（垂直于光轴），轴为电轴
6、（垂直于光轴），该轴压电效应最显著，它通过正该轴压电效应最显著，它通过正六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴六棱柱相对的两个棱线且垂直于光轴Z，显然，显然X轴共有三个。轴共有三个。Y 轴为机械轴（力轴），轴为机械轴（力轴），显然也有三个，它垂直于两个相对的显然也有三个，它垂直于两个相对的表面，在此轴上加力产生的变形最大。表面，在此轴上加力产生的变形最大。第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器+YXp3p1p2（a）YX+p1p2p3Fx+Fx（b）YX Fy+F
7、y+p1p2p3（c）现将组成石英（现将组成石英（SiO2）晶体的硅离子和氧离子的排列）晶体的硅离子和氧离子的排列在垂直于晶体在垂直于晶体Z轴的轴的xy平面上进行投影，等效为正六边形排平面上进行投影，等效为正六边形排列。列。图中图中“”代表代表Si4+，“”代表代表2O2。+哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器 当石英晶体未受力作用时，当石英晶体未受力作用时，正、负离子（即正、负离子（即Si4+和和2O2）正好分布在正六边形的顶角上，正好分布在正六边形的顶角上，形成三个大小相等，互成形成三个大小相等，互成120夹角的电偶极矩夹角
8、的电偶极矩 p1、p2 和和 p3。电偶极矩的矢量和等于零，电偶极矩的矢量和等于零，即即 ，这时晶体，这时晶体表面不产生电荷，表面不产生电荷，石英晶体从石英晶体从整体上呈电中性。整体上呈电中性。（见图（见图a）+YXp3p1p2图（图（a）哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器YX+p1p2p3Fx+Fx图（图（b）当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿X方向的方向的压压缩力缩力作用时，晶体沿作用时，晶体沿X方向产生压方向产生压缩变形，正、负离子的相对位置缩变形，正、负离子的相对位置随之变动，正、负电荷中心不再随之变动，正、负电荷中心不
9、再重合，电偶极矩在重合，电偶极矩在X轴方向的分量，轴方向的分量，在，在X轴的正方向的晶体表面上出轴的正方向的晶体表面上出现正电荷。现正电荷。而在而在Y轴和轴和Z轴方向的轴方向的分量均为零。在垂直于分量均为零。在垂直于Y轴和轴和Z轴轴的晶体表面上不出现电荷。的晶体表面上不出现电荷。这种沿这种沿X轴作用力，而在垂直于轴作用力，而在垂直于此轴晶面上产生电荷的现象，称此轴晶面上产生电荷的现象，称为为“纵向压电效应纵向压电效应纵向压电效应纵向压电效应”。（见图。（见图b）哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器YX Fy+Fy+p1p2p3图
10、（图（c）当石英晶体受到沿当石英晶体受到沿Y轴方轴方向的压缩力作用时，电偶极矩向的压缩力作用时，电偶极矩在在X轴方向的分量轴方向的分量 ，在在X轴的正方向的晶体表面上轴的正方向的晶体表面上出现负电荷出现负电荷。（。（这种情况等同这种情况等同于沿于沿X轴方向的拉力作用轴方向的拉力作用），），同样在垂直于同样在垂直于Y轴和轴和Z轴的晶面轴的晶面上不出现电荷。上不出现电荷。这种沿这种沿Y轴作用力，而在垂轴作用力，而在垂直于直于X轴的晶面上产生电荷的轴的晶面上产生电荷的现象，称为现象，称为“横向压电效应横向压电效应横向压电效应横向压电效应。”（见图（见图c）。）。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六
11、章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器 当晶体受到沿当晶体受到沿Z轴方向的力（无论是压缩力或拉轴方向的力（无论是压缩力或拉伸力）作用时，因为石英晶体在伸力）作用时，因为石英晶体在X轴方向和轴方向和Y方向的方向的变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极变形相同，正、负电荷中心始终保持重合，电偶极矩在矩在X、Y方向的分量等于零。方向的分量等于零。所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生所以沿光轴方向施加作用力，石英晶体不会产生压电效应。压电效应。当作用力当作用力Fx或或Fy的方向相反时，电荷的极性随的方向相反时，电荷的极性随之改变。如果石英晶体的各个方向同时受到均等
12、的之改变。如果石英晶体的各个方向同时受到均等的作用力（如液体压力），石英晶体将保持电中性。作用力（如液体压力），石英晶体将保持电中性。所以石英晶体没有体积变形的压电效应。所以石英晶体没有体积变形的压电效应。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、压电陶瓷的压电效应二、压电陶瓷的压电效应 第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器 压电陶瓷是人工制压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料。造的多晶压电材料。它由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是它由无数细微的电畴组成，这些电畴实际上是自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排列的。列
13、的。在无外电场作用时，从整体来看，这些电畴在无外电场作用时，从整体来看，这些电畴的极化效应被互相抵消，使原始的压电陶瓷呈电中的极化效应被互相抵消，使原始的压电陶瓷呈电中性，不具有压电性质。性，不具有压电性质。未极化未极化的电畴的电畴哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。为了使压电陶瓷具有压电效应，必须进行极化处理。所谓极化处理，就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电所谓极化处理，就是在一定温度下对压电陶瓷施加强电场（如场（如2030kv/cm直流电场），经过直流电场），经过23小时以后，压
14、电小时以后，压电陶瓷就具备压电性能了，这是因为陶瓷内部的电畴的极化方陶瓷就具备压电性能了，这是因为陶瓷内部的电畴的极化方向在外电场作用下都趋向于电场的方向，这个方向就是压电向在外电场作用下都趋向于电场的方向，这个方向就是压电陶瓷的极化方向，通常取陶瓷的极化方向，通常取 z 轴方向。轴方向。经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍经过极化处理的压电陶瓷，在外电场去掉后，其内部仍存在着很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电存在着很强的剩余极化强度，当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化，压电陶瓷就呈
15、现出压电效应。瓷就呈现出压电效应。电电场场方方向向电极化处理电极化处理后的电畴后的电畴哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学高分子压电薄膜高分子压电薄膜压电薄膜聚偏二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）、聚偏氟乙烯（PVDF）、改性聚氯乙烯（PVC）等 第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学
16、第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器三、压电常数和表面电荷的计算三、压电常数和表面电荷的计算 1、石英晶体的压电常数和表面电荷的计算、石英晶体的压电常数和表面电荷的计算 从石英晶体上切一片平行六面体从石英晶体上切一片平行六面体 晶体切片，使它的晶体切片，使它的晶面分别平行于晶面分别平行于x、y、z轴。轴。btl1zxyT1（1）当晶片受到）当晶片受到 x 方向方向压缩应力压缩应力T1(N/m2)作用时，作用时，晶片将产生厚度变形，在晶片将产生厚度变形，在垂直于垂直于x轴表面上产生的轴表面上产生的电荷密度电荷密度1与应力与应力T1成正成正比。比。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第六章第六章第六章第六章 压电式传感器压电式传感器压电式传感器压电式传感器 当石英晶片在当石英晶片在 x 轴方向施加压缩力时，产生的电轴方向施加压缩力时，产生的电荷荷q正比于作用力正比于作用力F1，与晶片的几何尺寸无关，若，与晶片的几何尺寸无关，若晶片在晶轴晶片在晶轴 x 方向受到拉力（大小与压缩力相等）方向受到拉力（大小与压缩力相等）的作用，则仍在垂直于的作用，则仍在垂直于 x
