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壓電傳感器的工作原理
- 2018-12-14-

      壓電式傳感器由壓電傳感元件和測量轉換電路組成。壓電傳感元件是一種力敏感元件,凡是能夠變換為力的物理量,如應力、壓力、振動(dòng)、加速度等,均可進(jìn)行測量,由于壓電效應的可逆性,壓電元件又常用作超聲波的發(fā)射與接收裝置。

  某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到力的作用而變形時(shí),內部會(huì )產(chǎn)生極化,同時(shí)在其表面有電荷產(chǎn)生,當外力去掉后,表面電荷消失,這種現象稱(chēng)為壓電正向效應。

  反之,在電介質(zhì)的極化方向施加交變電場(chǎng),它會(huì )產(chǎn)生機械變形。當去掉外加電場(chǎng),電介質(zhì)變形隨之消失。這種現象稱(chēng)為壓電逆向效應(電致伸縮效應)。

  1、壓電效應機理分析

  具有壓電效應的物質(zhì)很多,如天然的石英晶體、人造的壓電陶瓷等,現以石英晶體為例,說(shuō)明壓電效應機理。如圖1所示為石英晶體切片,石英的晶體結構為六方晶體系,化學(xué)式為SiO2。 坐標軸定義如下:

  X軸:兩平行柱面內夾角等分線(xiàn),垂直此軸壓電效應最強。稱(chēng)為電軸。

  Y軸:垂直于平行柱面,在電場(chǎng)作用下變形最大,稱(chēng)為機械軸。

  z軸:無(wú)壓電效應,中心軸,也稱(chēng)光軸。

圖1 石英晶體切片圖

  硅離子有4個(gè)正電荷,氧離子有2個(gè)負電荷,一個(gè)硅離子和兩個(gè)氧離子交替排列。

  2、結構特性

 ?。?)沿Y軸方向作用拉力與沿X軸方向作用壓力,晶胞結構變形相同,因而產(chǎn)生的電荷極性相同,同樣道理,沿X軸方向作用拉力與沿Y軸方向作用壓力而產(chǎn)生的電荷極性相同。

 ?。?)在晶體的線(xiàn)性彈性范圍內,當沿X軸方向作用壓力FX時(shí),在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生的電荷量為 Q=d11FX

 ?。?)如果沿Y軸方向作用壓力Fy時(shí),電荷仍出現在與X軸相垂直的平面上,其電荷量為 Q=d12 l/δ Fy =-d11 l/δ Fy

  l 為石英晶片的長(cháng)度; δ為晶片的厚度,d12為沿Y軸方向施力的壓電常數,由于石英晶體的軸對稱(chēng),所以d12=-d11。負號表示所產(chǎn)生的電荷極性相反。

  由壓電元件的工作原理可知,壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí),它也是一個(gè)電容器,晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個(gè)極板,極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì), 則其電容量為

  

  式中: A ——壓電片的面積( ㎡ ); ?

  d ——壓電片的厚度( m );

  ?——壓電材料的相對介電常數(石英晶體為4.85);

  ——真空的介電常數( )。


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