第6章压电式传感器本章的主要内容有1.压电式传感器的结构原理；2.压电式传感器的测量电路；3.压电式传感器的典型应用；通过学习应掌握压电式传感器的性能特点及其基本应用方法。压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它可以测量最终能变换为力的各种物理量，例如力、压力、加速度等。压电式传感器具有体积小、重量轻、频带宽、灵敏度高等优点。近年来压电测试技术发展迅速，特别是电子技术的迅速发展，使压电式传感器的应用越来越广泛。6.1基本原理分析6.1.1压电效应某些晶体，在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两个表面产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，又恢复到不带电状态。当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变，这种现象称为压电效应。具有压电效应的物质很多，如石英晶体、压电陶瓷、压电半导体等。6.1.2石英晶体的压电效应石英晶体是一种应用广泛的压电晶体。它是二氧化硅单晶，属于六角晶系。图6.1.1是天然石英晶体的外形图，它为规则的六角棱柱体。石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，它与晶体的纵轴线方向一致；X轴又称电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴；y轴又称机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片。当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应。纵向压电效应产生的电荷为qxx＝dxxFx横向压电效应产生的电荷为根据石英晶体的对称条件dXY=dXX，所以由上式可以看出，沿机械轴方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的，式中的负号表示沿Y轴的压力产生的电荷与沿X轴施加压力所产生的电荷极性是相反的。YXYXYFbadqYXXXYFbadq石英晶片受压力或拉力时，电荷的极性如下图所示。石英晶体的每一个晶体单元中，有三个硅离子和六个氧离子，正负离子分布在正六边形的顶角上，如下图所示。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象,而受力后破坏了平衡,就带电了。6.1.3压电陶瓷的压电效应压电陶瓷在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极化，如下图所示。伸长直流电桥剩余伸长剩余极化对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为Z轴。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于Z轴的表面上将会出现电荷，下左图，其电荷量q与作用力F成正比，即：q=dzzF，下右图为：+++---+++---+++---YXZXYXZYAAFdAAFdq6.2压电材料及压电元件的结构6.2.1压电材料压电材料一般应考虑以下主要特性：1)具有较大的压电常数。2)压电元件的机械强度高、刚度大并具有较高的固有振动频率。3)具有高的电阻率和较大的介电常数。4)具有较高的居里点。居里点高可以得到较宽的工作温度范围。5)压电特性不随时间蜕变，有较好的时间稳定性。1.石英晶体石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理+化学性质几乎与天然石英晶体无多大区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。它在几百摄氏度的温度范围内，压电、系数不随温度而变化。石英晶体的居里点为573℃，即到573℃时，它将完全丧失压电性质。它有很大的机械强度和稳定的机械性能，没有热释电效应，但灵敏度很低，介电常数小，因此逐渐被其他压电材料所代替。2.水溶性压电晶体这类压电晶体有酒石酸钾钠(NaKC4H4O64H20)、硫酸锂(Li2SO4H2O)、磷酸二氢钾(KH2PO4)等。水溶性压电晶体具有较高的压电灵敏度和介电常数，但易于受潮，机械强度也较低，只适用于室温和湿度低的环境下。3.铌酸锂晶体铌酸锂是一种透明单晶，熔点为1250℃，居里点为1210℃。它具有良好的压电性能和时间稳定性，在耐高温传感器上有广泛的前途。4.压电陶瓷这是一种应用最普遍的压电材料，压电陶瓷具有烧制方便、耐湿、耐高温、易于成形等特点。1)钛酸钡压电陶瓷钛酸钡(BaTiO3)是由BaCO3和T...
