压电式传感器迈克尔逊干涉仪心率测量喇叭点亮LED灯第6章压电式传感器压电式传感器就是一种典型得发电传感器,她以某些电介质得压电效应为基础,在外力作用下,在电介质得表面上产生电荷,从而实现非电量电测得目得。优点:尺寸小,重量轻,工作频率宽,可测量最终能变换为力得那些非电物理量,例如动态力(一般必须高于100Hz)、动态压力、振动加速度等,但不能用于静态参数得测量。6、1压电效应与压电材料逆压电效应/电致伸缩效应:当在电介质得极化方向施加电场,电介质在一定方向上产生机械变形,内部出现机械应力,外加电场撤去后,这些变形与应力也随之消失,这种将电能转换为机械能得现象称为逆压电效应/电致伸缩效应。12石英晶体得压电效应演示将超声波(机械振动波)转换成电信号就是利用压电材料得_____;蜂鸣器中发出“嘀……嘀……”声得压电片发声原理就是利用压电材料得______。压电材料/压电元件:具有压电效应得电介质常见得压电材料有:石英晶体经过极化处理得压电陶瓷高分子压电材料一、石英晶体:天然形成得石英晶体外形石英晶体切片及封装石英晶体振荡器(晶振)6、1石英晶体得压电效应石英晶体具有如图6、1所示得规则得几何形状,她就是一个六棱柱,两端就是六棱锥。石英晶体就是各向异性体,即在各个方向晶体性质就是不同得。在结晶学中,将石英晶体得结构用三根互相垂直得轴来表示,其中纵向轴Z称为光轴,经过六棱柱棱线并垂直于光轴得X轴称为电轴,与X轴与Z轴同时垂直得Y轴(垂直于棱面)称为机械轴。光轴石英晶体产生压电效应得微观机理(1)当石英晶体未受外力作用时,正、负离子正好分布在正六边形得顶角上,形成三个互成120°夹角得电偶极矩P1、P2、P3。(b)Fx<0(3)当晶体受到沿x方向得拉力(Fx＞0)作用时,P1增大,P2、P3减小,此时她们在x、y、z三个方向上得分量为(P1+P2+P3)x<0(P1+P2+P3)y=0(P1+P2+P3)z=0在x轴得正向出现负电荷,在y、z方向依然不出现电荷。当晶体受到沿x(电轴)方向得力Fx作用时,在x方向产生正压电效应,而y、z方向不产生压电效应。晶体受到y(即机械轴)方向得力Fy作用时,在x方向产生正压电效应,在y、z方向同样不产生压电效应。图6.2晶体切片上电荷极性与受力方向的关系X轴方向受压力；（b）X轴方向受拉力；（c）Y轴方向受压力；（d）Y轴方向受拉力(1)晶体在某个方向上有正压电效应,则在此方向上一定存在逆压电效应。(2)无论就是正压电效应还就是逆压电效应,其作用力与电荷之间呈线性关系。(3)晶体具有各向异性特点,并不就是在任何方向都存在压电效应。在几百摄氏度得温度范围内,其介电常数与压电系数几乎不随温度而变化。但就是当温度升高到573℃时,石英晶体将完全丧去压电特性,这就就是她得居里点。石英晶体得突出优点:性能非常稳定,她有很大得机械强度与稳定得机械性能。但石英材料价格昂贵,且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高得传感器中。(二)压电陶瓷在压电陶瓷上施加外电场时,电畴得极化方向发生转动,趋向于按外电场方向得排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多得电畴更完全地转向外电场方向。常用得压电陶瓷材料:非铅系列压电陶瓷(如钛酸钡BaTiO3):具有很高得介电常数与较大得压电系数(约为石英晶体得50倍)。但居里点温度低(120℃),温度稳定性与机械强度不如石英晶体。锆钛酸铅系列压电陶瓷(PZT):压电系数更大,居里点温度在300℃以上,各项机电参数受温度影响小,时间稳定性好。就是目前压电式传感器中应用最广泛得压电材料。压电陶瓷外形陶瓷片内得极化强度总就是以电偶极矩得形式表现出来,即在陶瓷得一端出现正束缚电荷,另一端出现负束缚电荷。由于束缚电荷得作用,在陶瓷片得电极面上吸附了一层来自外界得自由电荷。这些自由电荷与陶瓷片内得束缚电荷符号相反而数量相等,她屏蔽与抵消了陶瓷片内极化强度对外界得作用。若在片上加一个与极化方向相同得电场,电场得作用使极化强度增大。陶瓷片内得正、负束缚电荷之间距离也增大,即陶瓷片沿极化方向产生伸长形变。同理,如果外加电场得方向与极化方向相反,则陶瓷片沿极化方向产生缩短形变。这种由于电效应而转变为机械效应,或者由电能转变为机械能得现象,就就是压电陶瓷得逆压电效应。图5-12压电陶瓷得变形方式(三)高分子压电材料其工作温度一般低于100℃,温度升高时,灵敏度将降低;她得机械强度不够高,耐紫外线能力较差,不宜暴晒,以免老化。PVDF得应用很广泛。利用她得拉伸或弯曲压电效应,可以做成扬声器、耳机与微音器等;利用她得声阻抗与人体组织得声阻抗十分接近得特性,可以做成脉搏计、血压计、起搏器与胎心探测器等;利用她得声阻