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压电传感器的工作原理
- 2018-12-14-

      压电式传感器由压电传感元件和测量转换电路组成。压电传感元件是一种力敏感元件,凡是能够变换为力的物理量,如应力、压力、振动、加速度等,均可进行测量,由于压电效应的可逆性,压电元件又常用作超声波的发射与接收装置。

  某些电介质在沿一定方向上受到力的作用而变形时,内部会产生极化,同时在其表面有电荷产生,当外力去掉后,表面电荷消失,这种现象称为压电正向效应。

  反之,在电介质的极化方向施加交变电场,它会产生机械变形。当去掉外加电场,电介质变形随之消失。这种现象称为压电逆向效应(电致伸缩效应)。

  1、压电效应机理分析

  具有压电效应的物质很多,如天然的石英晶体、人造的压电陶瓷等,现以石英晶体为例,说明压电效应机理。如图1所示为石英晶体切片,石英的晶体结构为六方晶体系,化学式为SiO2。 坐标轴定义如下:

  X轴:两平行柱面内夹角等分线,垂直此轴压电效应最强。称为电轴。

  Y轴:垂直于平行柱面,在电场作用下变形最大,称为机械轴。

  z轴:无压电效应,中心轴,也称光轴。

图1 石英晶体切片图

  硅离子有4个正电荷,氧离子有2个负电荷,一个硅离子和两个氧离子交替排列。

  2、结构特性

  (1)沿Y轴方向作用拉力与沿X轴方向作用压力,晶胞结构变形相同,因而产生的电荷极性相同,同样道理,沿X轴方向作用拉力与沿Y轴方向作用压力而产生的电荷极性相同。

  (2)在晶体的线性弹性范围内,当沿X轴方向作用压力FX时,在与X轴垂直的平面上产生的电荷量为 Q=d11FX

  (3)如果沿Y轴方向作用压力Fy时,电荷仍出现在与X轴相垂直的平面上,其电荷量为 Q=d12 l/δ Fy =-d11 l/δ Fy

  l 为石英晶片的长度; δ为晶片的厚度,d12为沿Y轴方向施力的压电常数,由于石英晶体的轴对称,所以d12=-d11。负号表示所产生的电荷极性相反。

  由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质, 则其电容量为

  

  式中: A ——压电片的面积( ㎡ ); ?

  d ——压电片的厚度( m );

  ?——压电材料的相对介电常数(石英晶体为4.85);

  ——真空的介电常数( )。


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