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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、加速度等,均可進行測量,由于壓電效應的可逆性,壓電元件又常用作超聲波的發射與接收裝置。

  某些電介質在沿一定方向上受到力的作用而變形時,內部會產生極化,同時在其表面有電荷產生,當外力去掉后,表面電荷消失,這種現象稱為壓電正向效應。

  反之,在電介質的極化方向施加交變電場,它會產生機械變形。當去掉外加電場,電介質變形隨之消失。這種現象稱為壓電逆向效應(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,化學式為SiO2。 坐標軸定義如下:

  X軸:兩平行柱面內夾角等分線,垂直此軸壓電效應最強。稱為電軸。

  Y軸:垂直于平行柱面,在電場作用下變形最大,稱為機械軸。

  z軸:無壓電效應,中心軸,也稱光軸。

圖1 石英晶體切片圖

  硅離子有4個正電荷,氧離子有2個負電荷,一個硅離子和兩個氧離子交替排列。

  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生的電荷極性相同。

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

 ?。?)如果沿Y軸方向作用壓力Fy時,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,所以d12=-d11。負號表示所產生的電荷極性相反。

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