傳感器原理與應(yīng)用第五章重點(diǎn)

傳感器原理與應(yīng)用第五章重點(diǎn)第一頁(yè)，共50頁(yè)。5.1壓電效應(yīng)某些物質(zhì)沿某一方向受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生變形，同時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，此時(shí)在這種材料的兩個(gè)表面產(chǎn)生符號(hào)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(shí)，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)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)”。第二頁(yè)，共50頁(yè)。第三頁(yè)，共50頁(yè)。第四頁(yè)，共50頁(yè)。第五頁(yè)，共50頁(yè)。第六頁(yè)，共50頁(yè)。圖5-1正（順）壓電效應(yīng)示意圖F－－－－－－＋＋＋＋＋＋FFF＋＋＋＋＋＋－－－－－－第七頁(yè)，共50頁(yè)。反之，當(dāng)在某些物質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些材料在某一方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。這種電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”。圖5-2壓電效應(yīng)的可逆性逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能正壓電效應(yīng)第八頁(yè)，共50頁(yè)。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。第九頁(yè)，共50頁(yè)。如圖所示為天然石英晶體，其結(jié)構(gòu)形狀為一個(gè)六角形晶柱，兩端為一對(duì)稱棱錐。5.1.2石英晶體的壓電效應(yīng)第十頁(yè)，共50頁(yè)。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(guò)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(jī)械軸。第十一頁(yè)，共50頁(yè)。如果從石英晶體中切下一個(gè)平行六面體并使其晶面分別平行于Z-Z、Y-Y、X-X軸線。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸(X軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。第十二頁(yè)，共50頁(yè)。第十三頁(yè)，共50頁(yè)。石英晶體具有壓電效應(yīng)，是由其內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)決定的。圖５-４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“＋”代表硅離子Si4+，“－”代表氧離子O2-。2.石英晶體產(chǎn)生壓電效應(yīng)的微觀機(jī)理第十四頁(yè)，共50頁(yè)。圖5-4硅氧離子的排列示意圖(a)xy(b)+xy++---第十五頁(yè)，共50頁(yè)。當(dāng)石英晶體未受外力作用時(shí)，正、負(fù)離子正好分布在正六邊形的頂角上，形成三個(gè)互成120°夾角的電偶極矩P1、P2、P3。如圖5-5（a）所示。(a)Fx=0xy+P1P2P3--++-因?yàn)镻=qL（q為電荷量，L為正負(fù)電荷之間的距離），此時(shí)正負(fù)電荷中心重合，電偶極矩的矢量和等于零，即

P1+P2+P3＝0所以晶體表面不產(chǎn)生電荷，呈電中性。第十六頁(yè)，共50頁(yè)。第十七頁(yè)，共50頁(yè)。在y、z方向上的分量為:(P1+P2+P3)y

=0(P1+P2+P3)z=0當(dāng)晶體受到沿x方向的壓力（Fx<0）作用時(shí)，晶體沿x方向?qū)a(chǎn)生收縮，正、負(fù)離子的相對(duì)位置隨之發(fā)生變化，如圖5-5（b）所示。此時(shí)正、負(fù)電荷中心不再重合，電偶極矩P1減小，P2、P3增大，它們?cè)趚方向上的分量不再等于零:(P1+P2+P3)x>0

(b)Fx<0x+Fxy+-Fx-P1P2P3--++-+++--第十八頁(yè)，共50頁(yè)。第十九頁(yè)，共50頁(yè)。當(dāng)晶體受到沿x方向的拉力（Fx＞0）作用時(shí)，其變化情況如圖5-5（c）所示。電偶極矩P1增大，P2、P3減小，此時(shí)它們?cè)趚、y、z三個(gè)方向上的分量為(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x軸的正向出現(xiàn)負(fù)電荷，在y、z方向依然不出現(xiàn)電荷。(c)Fx>0yx+++FxFxP2P3P1+++--+----第二十頁(yè)，共50頁(yè)。第二十一頁(yè)，共50頁(yè)?？梢姡?dāng)晶體受到沿x(電軸)方向的力Fx作用時(shí)，它在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。晶體在y軸方向受力Fy作用下的情況與Fx相似。當(dāng)Fy

＞0時(shí)，晶體的形變與圖5-5（b）相似；當(dāng)Fy＜0時(shí)，則與圖5-5（c）相似。由此可見，晶體在y（即機(jī)械軸）方向的力

Fy作用下，在x方向產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，在y、z方向同樣不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。第二十二頁(yè)，共50頁(yè)。晶體在z軸方向受力Fz的作用時(shí)，因?yàn)榫w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)。第二十三頁(yè)，共50頁(yè)。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(shí)，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(qiáng)度P11與應(yīng)力σx成正比。

第二十四頁(yè)，共50頁(yè)。即：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；b、c——石英晶片的長(zhǎng)度和寬度。而P11在數(shù)值上等于晶面上的電荷密度將以上兩式聯(lián)立，得(5-3)(5-2)(5-1)第二十五頁(yè)，共50頁(yè)。反之，若沿x方向?qū)┘与妶?chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度大小為Ex。根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶體在x軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮，即：Δa=d11Ux

(5-4)也可用相對(duì)應(yīng)變表示為：(5-6)(5-5)第二十六頁(yè)，共50頁(yè)。若在同一切片上，沿機(jī)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(5-8)根據(jù)石英晶體軸對(duì)稱條件：d11=-d12，則：晶片厚度(5-7)第二十七頁(yè)，共50頁(yè)。反之，若沿y方向?qū)┘与妶?chǎng)，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，晶片在y軸方向?qū)a(chǎn)生伸縮變形，即或用相對(duì)應(yīng)變表示：(5-11)(5-10)(5-9)第二十八頁(yè)，共50頁(yè)。圖5-7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+++++-----第二十九頁(yè)，共50頁(yè)。①當(dāng)晶片受到x方向的壓力作用時(shí)，qx只與作用力Fx成正比，而與晶片的幾何尺寸無(wú)關(guān)；②沿機(jī)械軸y方向向晶片施加壓力時(shí)，產(chǎn)生的電荷是與幾何尺寸有關(guān)的；③石英晶體不是在任何方向都存在壓電效應(yīng)的；④晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng)，則在此方向上一定存在逆壓電效應(yīng)；⑤無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng)，其作用力（或應(yīng)變）與電荷（或電場(chǎng)強(qiáng)度）之間皆呈線性關(guān)系。第三十頁(yè)，共50頁(yè)。壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料。材料內(nèi)部的晶粒有許多自發(fā)極化的電疇，它有一定的極化方向，從而存在電場(chǎng)。在無(wú)外電場(chǎng)作用時(shí)，電疇在晶體中雜亂分布，它們各自的極化效應(yīng)被相互抵消，壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零。因此原始的壓電陶瓷呈中性，不具有壓電性質(zhì)。5.1.3壓電陶瓷的壓電效應(yīng)第三十一頁(yè)，共50頁(yè)。在陶瓷上施加外電場(chǎng)時(shí)，電疇的極化方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，趨向于按外電場(chǎng)方向的排列，從而使材料得到極化。外電場(chǎng)愈強(qiáng)，就有更多的電疇更完全地轉(zhuǎn)向外電場(chǎng)方向。讓外電場(chǎng)強(qiáng)度大到使材料的極化達(dá)到飽和的程度，即所有電疇極化方向都整齊地與外電場(chǎng)方向一致時(shí)，當(dāng)外電場(chǎng)去掉后，電疇的極化方向基本變化，即剩余極化強(qiáng)度很大，這時(shí)的材料才具有壓電特性。第三十二頁(yè)，共50頁(yè)。圖5-8壓電陶瓷的極化(a)未極化;(b)電極化第三十三頁(yè)，共50頁(yè)。陶瓷片內(nèi)的極化強(qiáng)度總是以電偶極矩的形式表現(xiàn)出來(lái)，即在陶瓷的一端出現(xiàn)正束縛電荷，另一端出現(xiàn)負(fù)束縛電荷。由于束縛電荷的作用，在陶瓷片的電極面上吸附了一層來(lái)自外界的自由電荷。這些自由電荷與陶瓷片內(nèi)的束縛電荷符號(hào)相反而數(shù)量相等，它屏蔽和抵消了陶瓷片內(nèi)極化強(qiáng)度對(duì)外界的作用。圖5-9陶瓷片內(nèi)束縛電荷與電極上吸附的自由電荷示意圖極化方向-----＋＋＋＋＋自由電荷束縛電荷電極電極-----＋＋＋＋＋第三十四頁(yè)，共50頁(yè)。如果在陶瓷片上加一個(gè)與極化方向平行的壓力F，陶瓷片將產(chǎn)生壓縮形變。片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間的距離變小，極化強(qiáng)度也變小。釋放部分吸附在電極上的自由電荷，而出現(xiàn)放電現(xiàn)象。當(dāng)壓力撤消后，陶瓷片恢復(fù)原狀，極化強(qiáng)度也變大，因此電極上又吸附一部分自由電荷而出現(xiàn)充電現(xiàn)象。

——正壓電效應(yīng)

－F＋-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋極化方向圖5-10正壓電效應(yīng)示意圖第三十五頁(yè)，共50頁(yè)。第三十六頁(yè)，共50頁(yè)。若在片上加一個(gè)與極化方向相同的電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用使極化強(qiáng)度增大。陶瓷片內(nèi)的正、負(fù)束縛電荷之間距離也增大，即陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生伸長(zhǎng)形變。同理，如果外加電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則陶瓷片沿極化方向產(chǎn)生縮短形變。這種由于電效應(yīng)而轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械效應(yīng)，或者由電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象，就是壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)。圖5-11逆壓電效應(yīng)示意圖Ｅ電場(chǎng)方向極化方向-----＋＋＋＋＋-----＋＋＋＋＋第三十七頁(yè)，共50頁(yè)。第三十八頁(yè)，共50頁(yè)。對(duì)于壓電陶瓷，通常取它的極化方向?yàn)閦軸，垂直于z軸的平面上任何直線都可作為x或y軸，在是和石英晶體的不同之處。當(dāng)壓電陶瓷在沿極化方向受力時(shí)，則在垂直于z軸的上、下兩表面上將會(huì)出現(xiàn)電荷，如圖5-12（a）所示，其電荷量q與作用力Fz成正比，即(5-12)式中：d33——壓電陶瓷的壓電系數(shù)；

F——作用力。第三十九頁(yè)，共50頁(yè)。壓電陶瓷在受到沿y方向的作用力Fy或沿x方向的作用力Fx時(shí)，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷，其電荷量q與作用力Fy、Fx也成正比，即式中Az——極化面面積；Ax、Ay——受力面面積；d32、d31——壓電陶瓷的橫向壓電系數(shù)第四十頁(yè)，共50頁(yè)。當(dāng)作用力Fz、Fy或Fx反向時(shí)，電荷的極性也反向。壓電陶瓷在受到如圖5-12（c）所示的作用力Fx、Fy、Fz共同作用時(shí)，在垂直于z軸的上、下平面上分別出現(xiàn)正、負(fù)電荷。圖5-12壓電陶瓷的變形方式y(tǒng)----++++FzFzxz（a）縱向變形（b）橫向變形（c）體積變形FyFyxyzFx++++----FzFyFyxyzFxFz++++----第四十一頁(yè)，共50頁(yè)。壓電陶瓷的壓電系數(shù)比石英晶體的大得多，所以采用壓電陶瓷制作的壓電式傳感器的靈敏度較高。極化處理后的壓電陶瓷材料的剩余極化強(qiáng)度和特性與溫度有關(guān)，它的參數(shù)也隨時(shí)間變化，從而使其壓電特性減弱。第四十二頁(yè)，共50頁(yè)。最早使用的壓電陶瓷材料是鈦酸鋇（BaTiO3）。它是由碳酸鋇和二氧化鈦按1∶1摩爾分子比例混合后燒結(jié)而成的。它的壓電系數(shù)約為石英的50倍，但居里點(diǎn)溫度只有115℃，使用溫度不超過(guò)70℃，溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度都不如石英。第四十三頁(yè)，共50頁(yè)。壓電材料應(yīng)具備以下幾個(gè)主要特性：①轉(zhuǎn)換性能。要求具有較大的壓電常數(shù)。②機(jī)械性能。機(jī)械強(qiáng)度高、剛度大。③電性能。高電阻率和大介電常數(shù)。④環(huán)境適應(yīng)性。溫度和濕度穩(wěn)定性要好，要求具有較高的居里點(diǎn)，獲得較寬的工作溫度范圍。⑤時(shí)間穩(wěn)定性。要求壓電性能不隨時(shí)間變化。5.2壓電材料第四十四頁(yè)，共50頁(yè)。在幾百攝氏度的溫度范圍內(nèi)，其介電常數(shù)和壓電系數(shù)幾乎不隨溫度而變化。但是當(dāng)溫度升高到573℃時(shí)，石英晶體將完全喪去壓電特性，這就是它的居里點(diǎn)。石英晶體的突出優(yōu)點(diǎn)是性能非常穩(wěn)定，它有很大的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定的機(jī)械性能。但石英材料價(jià)格昂貴，且壓電系數(shù)比壓電陶瓷低得多。因此一般僅用于標(biāo)準(zhǔn)儀器或要求較高的傳感器中。5.2.1石英晶體第四十五頁(yè)，共50頁(yè)。石